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Novo tipo de areia manufaturada substitui a areia natural na produção de concreto

A disponibilidade de areia natural para a produção de concreto enfrenta desafios, enquanto os chamados estoques de resíduos em áreas de britagem de agregados causam problemas para os produtores. Isso significa que a indústria tem uma enorme necessidade de solucionar esse desafio, encontrando a tecnologia adequada para a produção de areia manufaturada utilizável.

Rolands CepuritisTEXTO: Rolands Cepuritis

Questões relacionadas aos preços, vendas e problemas técnicos de produção de agregados geralmente se encontram entre as preocupações dos gerentes de pedreiras de agregados grossos. Outra questão é o balanço de massa da produção, já que parte do processo normal de produção de agregados britados – até 30% (dependendo da rocha) do material adquirido a partir do leito rochoso – é reduzida a tamanhos inferiores a 4 mm e, portanto, não pode ser usada como agregado grosso.

Esse material cogerado sempre foi a parcela mais desfavorável para a obtenção de um balanço de massa rentável, uma vez que pode ser difícil vender ou até mesmo descartar o material, seja no preço que for. Como resultado, em muitos lugares, há enormes estoques desses "resíduos" que não só afetam a rentabilidade da operação de agregados, mas também causam problemas ambientais.

Por outro lado, nas últimas décadas, a disponibilidade de areia natural apropriada para a produção de concreto, próxima ao local de consumo, se esgotou em torno de muitas regiões povoadas do mundo. Rolands Cepuritis, autor deste artigo, é atualmente doutorando industrial na Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia e trabalha para o único produtor norueguês de cimento, a Norcem (HeidelbergCement Group). Antes de iniciar o doutorado, ele trabalhou com produção de mistura pronta de concreto e agregados por mais de cinco anos. Isso levou à busca de um novo material para sua substituição; acredita-se que os excedentes de finos mencionados acima, provenientes das operações de britagem, são a melhor alternativa futura – graças à sua grande disponibilidade e propriedades físicas adequadas.

Diferenças bastante conhecidas entre a areia natural e os excedentes de finos das pedreiras

As primeiras tentativas de usar esse material cogerado como agregado fino praticamente fracassaram. No entanto, hoje as diferenças importantes entre a areia natural e o excedente de finos das pedreiras são bastante conhecidas pelos produtores de agregados, e há exemplos de produtores que superaram com êxito os desafios depois de trabalhar em estreita cooperação com a Metso.

Em relação ao formato das partículas, isso inclui otimizar o processo de britagem com o britador de impacto de eixo vertical (VSI), com moldagem rocha contra rocha no final do processo. Isso pode resultar em partículas com formato bastante semelhante ao da areia natural.

A questão do elevado teor de finos pode ser solucionada através do processamento por via úmida ou a seco, ou seja, com diferentes técnicas de lavagem ou classificação a ar. Finalmente, se as partículas de areia forem peneiradas e classificadas em tamanhos de partículas razoavelmente estreitas com bom formato, elas já podem atualmente ser usadas com sucesso como areia manufaturada de alta qualidade.

A desafiadora tarefa da areia manufaturada

Desenvolver novas abordagens na área de produção de areia manufaturada e, então, aumentar sua participação no mercado não é uma tarefa simples e uma das razões é o envolvimento de muitas partes.
Isso pode ser descrito como uma espécie de "cadeia", começando com o desmonte da rocha em uma pedreira de rochas duras, avançando para a britagem e peneiramento das rochas, depois seguindo para um produtor de mistura pronta e finalmente terminando no canteiro de obras, onde o concreto de areia manufaturada deve ser avaliado pelo usuário final, ou seja, pelo empreiteiro.

Para reunir todas as partes envolvidas a fim de solucionar os desafios, em 2006 foi fundado o COIN, Centro de Inovação de Concreto (www.coinweb.no). Desde 2009, a Metso tem sido um participante ativo e fundamental no projeto "Areia manufaturada de alta qualidade para concreto" do COIN.  Essa área especializada tem servido como fonte de financiamento e centro facilitador para o networking entre os profissionais das diferentes indústrias envolvidas, além de universidades e instituições de pesquisa. O objetivo tem sido criar uma solução melhor para a areia manufaturada para o futuro. 

Uma nova tendência na produção de areia manufaturada

Existem dois cenários para uma nova abordagem para a produção de areia manufaturada. Um deles inclui a escolha dos melhores recursos geológicos disponíveis para então tentar copiar a "mãe natureza", empregando um enorme esforço na formatação dos agregados e obtenção das curvas de gradação.

A outra abordagem envolve encontrar maneiras de fazer com que a areia manufaturada apresente um desempenho tão bom ou melhor do que o da areia natural, utilizando suas propriedades intrínsecas. Ela também inclui o desenvolvimento de uma nova filosofia de projeto de mistura de concreto adaptada à areia manufaturada com propriedades especialmente projetadas diferentes das areias naturais. Essa última abordagem foi escolhida como filosofia para a produção da areia manufaturada atualmente em desenvolvimento dentro do projeto do COIN.

Vale também mencionar que os agregados finos britados normalmente têm um desempenho superior ao da areia natural quando se comparam as propriedades mais essenciais do concreto endurecido, como resistência à compressão e tração. Ao mesmo tempo, os problemas para obter misturas econômicas com trabalhabilidade adequada (propriedades do concreto em estado fresco) são normalmente referidos como o principal problema que pode tornar a utilização de areia manufaturada desfavorável em muitos casos.

 

Diferentes tipos de agregados finos:  (1) Areia glaciofluvial natural de alta qualidade, 0/8 mm da Noruega; (2) Material cogerado de baixa qualidade de 0/8 mm de produção de agregados grossos britados (não deve ser denominado areia manufaturada); (3) Areia manufaturada de alta qualidade, 0/8 mm, produzida usando um circuito de britagem otimizado e formatação por VSI.

Descobertas recentes sobre o desempenho da areia manufaturada

A tendência atual na indústria de construção de concreto é tentar aumentar a participação no mercado de concreto autocompactante. Ele é um tipo especial de concreto muito fluido que foi desenvolvido há duas décadas no Japão. É considerado especial graças à sua capacidade de compactação e nivelamento no molde sem qualquer vibração externa. 

No trabalho anterior realizado pelo autor dentro do projeto do COIN, reconheceu-se que a areia manufaturada, naturalmente com um alto teor de finos, é perfeitamente adequada para esse tipo de concreto. Isso se deve à elevada fluidez e ao fato de o concreto autocompactante necessitar de um teor bem mais elevado de partículas muito finas (≤ 0,125 mm ou malha 120) para assegurar uma boa coesão entre a água e as partículas na mistura a fim de evitar a segregação e também impedir o intertravamento dos grãos dos agregados grossos.

As pesquisas realizadas também provaram que o aumento do teor de partículas finas pode, em muitos casos, ser desejável em comparação com o concreto produzido com areia natural. Isso ocorre porque um alto teor de finos na areia natural geralmente indica um aumento na concentração de silte e argila prejudicial às propriedades tanto do concreto fresco como do endurecido.

Na areia manufaturada, a presença desses contaminantes é rara (pelo menos na Escandinávia) e um certo nível de finos normalmente aumentaria o teor da pasta de cimento modificada por filler, ajudando assim na lubrificação entre as partículas dos agregados mais grossos (≥ 0,125 mm ou malha 120). Quando o nível ideal de teor de finos é excedido, eles começam a reduzir a fluidez da própria pasta de cimento e, assim, o efeito da lubrificação em relação às partículas grossas pode então ser anulado.

Outros ensaios no âmbito do projeto do COIN também provaram que os tipos de finos também importavam.
Isso significa que não apenas a porcentagem total de partículas finas abaixo das peneiras de 0,250 (malha 60), 0,125 (malha 120) ou 0,063 (malha 230) é importante, como normalmente interpretado no passado, mas também as características que possuem; essas características podem variar amplamente para diferentes agregados finos britados. Acredita-se que as propriedades mais importantes dos finos sejam a distribuição do tamanho de suas partículas (superfície específica), composição mineralógica, formato das partículas e textura superficial.

Por exemplo, se a gradação de dois finos britados (≤ 0,125 mm) provenientes do mesmo depósito for alterada por classificação (lavagem, neste caso) e esta for a única variável entre as duas misturas de concreto (isto é, o teor total de finos permanece constante), isso pode ter um tremendo efeito sobre o valor do espalhamento do concreto (veja abaixo).

Do ponto de vista da tecnologia do concreto, essas descobertas podem ser explicadas pela absorção de água livre numa área de superfície total maior de gradação mais fina, reduzindo assim a disponibilidade de água para a lubrificação da própria pasta de cimento. Descobertas recentes também indicaram que a  variação das propriedades (descamação) das frações mais grossas da areia manufaturada (0,125 / 2 mm e 2/4 mm) tem um impacto relativo muito menor sobre as propriedades do concreto fresco, e que as outras características das partículas finas (≤ 0,125 mm), como formato, textura superficial e mineralogia, poderiam ter um efeito semelhante ao da gradação (superfície específica).

Melhorias adicionais das propriedades do concreto

A melhor tecnologia atual para a produção de areia manufaturada é a formatação por VSI e classificação por via úmida ou a seco para reduzir o conteúdo total de finos. Contudo, estamos convencidos – e nossas descobertas também indicam – que podem ser alcançadas outras importantes melhorias nas propriedades do concreto se as propriedades da porção muito fina da areia manufaturada (≤ 0,125 mm) forem modificadas (criadas artificialmente).

Duas tarefas então precisam ser solucionadas para provar se nossa hipótese é válida também quando aplicada à produção em escala industrial. A primeira refere-se à tecnologia do concreto, o que exigiria uma compreensão completa de como e quais propriedades das partículas finas afetam as propriedades do concreto fresco. A segunda envolve encontrar uma solução industrial que tornaria possível uma modificação controlada e a otimização das propriedades da porção de filler também em pedreiras de agregados.

Caso contrário, nossas descobertas teriam apenas importância científica com relevância prática limitada.
O que parecia inicialmente ser uma tarefa difícil foi possível com o equipamento prontamente oferecido pela Metso.  Isso ocorre porque, se a porção de finos (≤ 0,125 mm) da areia manufaturada for separada em diferentes frações pelos classificadores a ar estáticos da Metso e armazenada em silos, só precisamos encontrar a melhor maneira de combiná-la posteriormente.

Além disso, a classificação a ar de duplo estágio a seco é um conceito já utilizado hoje, fornecendo no total quatro frações de filler seco para serem misturadas antes ou durante a produção de concreto. Os classificadores a ar estáticos são perfeitamente adequados para as operações de agregados, uma vez que não possuem peças móveis; o interior de suas câmaras é forrado com revestimento cerâmico, assegurando custos de desgaste muito baixos mesmo com materiais de alimentação altamente abrasivos.

Ao mesmo tempo, eles podem ser projetados para acomodar a produtividade necessária para a maioria das operações de agregados.  Além disso, não apresentam os problemas normalmente associados com o processo de classificação por via úmida (lavagem), ou seja, as questões de espaço e ambientais das lagoas de rejeito, e os problemas de operação em locais onde ocorrem temperaturas negativas no inverno.

O papel da Metso no desenvolvimento de uma solução futura para a areia

A fim de prosseguir com os experimentos para elaborar ainda mais a hipótese proposta, empregou-se um grande esforço e cuidado na preparação de um conjunto de materiais modelos (fillers britados) representando toda a variedade geológica local da Escandinávia.Isso envolveu a coleta de amostras de rochas britadas de 4/22 mm de 10 pedreiras diferentes. O processamento subsequente incluiu outra etapa de britagem Barmac VSI para gerar finos e o peneiramento da areia manufaturada de 0/4 mm. Foi tomado cuidado especial para garantir que todos os finos fossem gerados apenas dessa maneira estritamente controlada.

Os resultados de pesquisas anteriores dentro do projeto do COIN e em outros locais mostraram que as propriedades geométricas (como formato) das partículas finas ≤ 0,125 mm podem ser afetadas pelos procedimentos de britagem aplicados. Por exemplo, o aumento da velocidade periférica do VSI demonstrou uma melhoria nas propriedades das partículas de toda a faixa de tamanhos incluindo o filler (≤ 0,125 mm ou malha 120); além disso, essas melhorias comprovaram a introdução de mudanças mensuráveis nas propriedades do concreto fresco. 

Após a britagem por VSI, o material de areia manufaturada de 0/4 mm foi dividido em duas frações – 2/4 mm e 0/2 mm. Quase 9 toneladas da fração de 0/2 mm foram então enviadas ao laboratório de classificação a ar da Metso em Lebanon, Pensilvânia, EUA, para remoção controlada do filler e alteração de sua gradação.
Isso significa que o máximo possível de material com menos de 0,125 mm foi removido e então dividido em frações de 0,063/0,125, 0,020/0,063 e 0/0,020 mm.

Industrialmente, isso poderia ser obtido conectando-se um classificador a ar gravitacional-inercial (GI) em série com dois classificadores centrífugos (C). Isso é ilustrado no fluxograma à direita.  Como mencionado, já existem hoje operações de agregados que possuem dois classificadores a ar estáticos (GI e C) da Metso conectados em série para produzir múltiplas frações diferentes de filler fino.

As experiências de classificação a ar com os 10 materiais diferentes estão agora concluídas.  Os resultados demonstraram que o processo de classificação do equipamento pode ser adaptado com sucesso ao resultado desejado específico, ajustando-se os parâmetros do processo de classificação, ou seja, o fluxo de ar, que é regulado pela válvula de entrada principal de ar e ajustado pela válvula de entrada secundária de ar (relação entre ar primário e secundário).

 

O sucesso das experiências pode ser ilustrado (figura acima) pelas gradações iniciais do filler de todas as 10 areia manufaturada após a primeira fase de classificação, um exemplo dos resultados da classificação (quando a porção de enchimento é distribuída em frações separadas) e as possibilidades de recombinar essas frações, se uma das gradações iniciais for escolhida como referência.

As frações de filler obtidas foram entregues agora à Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia onde o trabalho dentro do projeto do COIN continuará para conhecer como as diferentes características do filler afetam as propriedades do concreto fresco.

Aplicação da areia manufaturada no mercado de agregados

Então, por que procurar novas soluções ainda mais sofisticadas quando uma tecnologia "boa o suficiente" para areia manufaturada já está disponível? A resposta é simples. Com exceção da areia natural, em alguns casos, os preços dos agregados em muitos lugares nem sequer acompanham a inflação.

Há duas razões para o preço da areia natural ser às vezes alto comparado ao do agregado britado. Em primeiro lugar, uma areia de boa qualidade pode ter um enorme impacto sobre o consumo de cimento (a maior parcela na composição de seu preço) necessário para produzir concreto com as propriedades desejadas; segundo, a disponibilidade de recursos naturais adequados está quase esgotada em muitas partes do mundo. Isso direciona o foco para as duas possíveis abordagens de negócio de agregados britados (que podem, de fato, ser aplicadas a qualquer indústria). 

A primeira abordagem é talvez a mais comum: produzir agregados grossos que são praticamente iguais aos de outros fornecedores e tentar competir no mercado com preço. Geralmente, isso envolve obter apenas um lucro marginal para cada tonelada vendida e a necessidade inevitável de produzir e vender volumes enormes para tornar a operação rentável. Isso tem sido difícil para diversas grandes pedreiras de agregados - especialmente após a última crise financeira e, como resultado, muitas das chamadas pedreiras "mamutes" que adotaram a primeira abordagem em suas operações acabaram por exceder suas capacidades. Aumentar o preço quando todos os outros também apresentam sobrecapacidade e estão vendendo praticamente o mesmo produto é, naturalmente, uma tarefa difícil.

A segunda abordagem seria a venda de produtos de agregados britados acrescidos de alto valor (parte do lucro do preço) em volumes que o mercado de hoje pode facilmente consumir. 

A ideia comercial básica por trás das soluções futuras para a areia manufaturada, do ponto de vista do produtor de agregados, reside no desenvolvimento de uma tecnologia que possibilite uma abordagem diferente para a produção de agregados. Isso envolve não só tentar competir com preço, mas, na verdade, produzir um produto com alto valor acrescido que pode até receber uma marca comercial no mercado para enfatizar que é único; o que não tem sido típico para a areia natural ou agregados em geral.

Essa interessante tendência tem ganhado terreno recentemente. Os produtores que investiram em melhorar consideravelmente a qualidade de sua areia manufaturada a querem enfatizar que ela é diferente do material cogerado no processo de produção de agregados grossos.  Para o autor, atualmente existem duas areias manufaturadas com nomes comerciais: a areia de concreto artificial Advanta® produzida pela Luck Stone (www.luckstone.com) na Virgínia, Estados Unidos, e a RoboSand™, produzida pela Robo Silicon (www.robo.co.in) na Índia.  Na verdade, as soluções de classificação a ar estática da Metso estão sendo usadas na produção da areia manufaturada Advanta®.

Escolhendo o melhor processo de produção de areia

Provar que a areia manufaturada de alta qualidade vale o preço mais alto (mesmo que seja verdade!) não é uma tarefa simples e fácil.  Há algumas razões para isso: as primeiras tentativas históricas mal sucedidas de usar material fino britado cogerado no concreto, e o fato de que as exigências legais em muitas partes do mundo podem ser discriminatórias em relação ao uso de areia manufaturada, se tiver sido produzida especialmente para desempenho especial no concreto e não como uma réplica da areia natural "ideal".

Ainda assim, toda empresa de produção de agregados grossos possui várias opções do que fazer com seu excedente de finos - despejá-los em pilhas enormes, tentar livrar-se deles a um preço muito baixo ou de graça, ou tentar transformá-los em um negócio através das diferentes opções disponíveis para a produção de areia manufaturada.
A melhor escolha em cada caso depende da situação do mercado local e de quanto esforço, em longo prazo, o produtor está disposto a empregar no desenvolvimento do seu produto, não apenas em termos técnicos, mas também trabalhando ativamente com suporte técnico, vendas e promoção. Em outras palavras, a areia manufaturada não pode ser vendida da mesma maneira que os agregados grossos britados, ou seja, enviando uma oferta de preço e uma descrição das propriedades a um cliente potencial. Na percepção do autor, a areia manufaturada requer um tipo muito mais técnico de marketing e vendas para transformá-la numa história de sucesso.

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