5.2 Utilização da escória como agregado em concreto

Escória de AFE contém uma pequena proporção de silício amorfo e uma alta proporção de óxido de ferro. Tem pouca ou nenhuma atividade pozolânica em relação à escória de alto-forno, o que a torna imprópria para uso como aditivo de cimento. A grande dureza da escória de aço levou a que fosse considerada como um agregado no concreto. Muitos estudos têm sido realizados para explorar esta possibilidade.

In , a escória de aço foi utilizada para substituir parte de uma fração fina de agregado, na qual a areia sílica (que equivale a 15%, 30%, ou 50%) ou fração fina foi completamente substituída pela escória. Em todas as misturas, o agregado grosseiro era calcário. Foi estudada a influência que a percentagem de escória tinha nas propriedades do betão fresco e endurecido nas classes de resistência de 25, 35, e 45 MPa. Como esperado, devido à maior densidade da escória de aço em relação ao agregado natural, um aumento no conteúdo de escória aumentou a densidade da mistura de concreto fresco em 5%-20% em relação ao concreto convencional. Esta foi uma das características mais importantes do betão de agregados de escória de aço. Além disso, à medida que a proporção de escória no concreto aumentou, sua consistência diminuiu.

As para resistência à compressão, substituindo o agregado fino por escória em até 50%, conseguiu obter aproximadamente os mesmos valores ou até mesmo valores mais altos de resistência à compressão do que o concreto de referência, enquanto o concreto feito apenas de agregados de escória tinha menos resistência à compressão . O efeito positivo da escória sobre a resistência à compressão do concreto foi mais pronunciado na classe de resistência mais baixa do concreto. A influência da escória na resistência à tracção foi mais pronunciada do que o seu efeito na resistência à compressão. Nomeadamente, o aumento do conteúdo de escória na massa total de agregado aumentou a resistência à tração do concreto. O efeito positivo da escória sobre a resistência à tração também foi mais pronunciado na classe de resistência mais baixa do concreto. A substituição de agregados naturais por escória criou uma resistência à tração 1,4 a 2,4 vezes maior e até 1,3 vezes maior resistência à compressão (com 15% de agregado de escória). A causa do declínio da resistência à compressão com mais de 50% de agregado de escória foi encontrada devido à finura da escória em relação à areia. Em particular, o aumento da quantidade de escória no concreto aumenta a quantidade total do material finamente moído. Portanto, é necessário um cimento que irá revestir os grãos. Ao eliminar quantidades excessivas de partículas finas na escória, houve um efeito muito positivo na resistência à compressão em todas as fases de maturação do concreto.

In , foi estudado o efeito da substituição de uma fração de agregado grosseiro no concreto por escória. Todas as misturas testadas foram feitas com a mesma quantidade de cimento e com a mesma relação água-cimento. Foram comparadas a resistência à compressão, a velocidade de pulso de ultra-som, a absorção e a corrosão de uma mistura com a proporção de escória em frações grosseiras de 45%, 50%, 55%, 60% e 65% do peso total do agregado com o concreto de referência com calcário (com uma proporção grosseira/fina de 60:40). O aumento da porção de escória na massa total de agregado fez com que a resistência à compressão e à tração do concreto também aumentasse. Com a mesma razão de agregado grosso e fino (60:40), o betão de escória ganhou uma resistência à compressão ligeiramente superior e uma resistência à tracção ligeiramente inferior em comparação com o betão de referência. A absorção e porosidade da mistura diminuem à medida que a porção de escória aumenta, sugerindo possíveis melhores propriedades de durabilidade de tal concreto. A velocidade de pulso de ultra-som aumentou com o aumento da porção de escória, sugerindo um maior módulo de elasticidade do concreto com escória como agregado em relação ao concreto de referência.

A redução da resistência à compressão e da velocidade de pulso de ultra-som após a exposição a variações térmicas durante 60 ciclos também foi observada. Um ciclo consistiu na exposição das amostras a 70°C durante 8 h e a 25°C durante 16 h. A diminuição da resistência à compressão durante a variação térmica foi reduzida com o aumento da porção de agregado de escória na mistura. O efeito da variação térmica sobre a velocidade do pulso de ultra-som (e portanto sobre o módulo de elasticidade do concreto) foi menos pronunciado no concreto que continha escória do que no concreto de referência. Embora o aumento na absorção devido às variações térmicas tenha sido mais pronunciado nas misturas que continham escória do que no betão de referência, a absorção do betão que continha escória foi certamente menor após os ciclos térmicos do que a absorção do betão de referência. No mesmo trabalho, foi também estudada a possibilidade de uma ação corrosiva do agregado sobre o aço. Foi encontrado um aumento substancial na resistência à corrosão do aço construído em concreto contendo escória em comparação com o concreto de referência, e a corrosão do aço foi mais retardada com o aumento do agregado de escória.

Ao analisar a influência do agregado de escória de aço nas características mecânicas do concreto (isto é, resistência à compressão e à tração), a zona de transição interfacial (ZIT) entre as partículas de agregado e a matriz cimentícia precisa ser considerada. Esta ZIT é considerada como uma zona fraca do betão. Nesta região, o surgimento de micro-mistura em torno das partículas de agregado, porosidade e algumas características microestruturais dependem de vários fatores, tais como qualidade e tamanho do agregado, a relação água-cimento, o ligante e a idade da mistura. Além disso, a morfologia (ou seja, qualidade) da ITZ desempenha um papel importante na permeabilidade e durabilidade do concreto.

A presença de escória de aço EAF no concreto cria uma morfologia diferente da ITZ. Em particular, uma ITZ menor e menos oca em comparação com o concreto de agregado de rocha natural é resultado da lenta migração de CaO do núcleo da escória de aço para sua superfície, resultando na evolução química de CaO para carbonato de cálcio. Devido a um ITZ mais forte dentro do concreto de escória de aço EAF, mostrado por partículas de agregado quebradas na superfície da fratura após o teste de ruptura mecânica do concreto, melhorou a resistência mecânica do concreto (compressiva e de tração). No entanto, como a escória de aço tem uma textura porosa com fissuras e fendas múltiplas, pode ser esperada uma quebra sob cargas mais baixas. A fim de reduzir o impacto desta estrutura porosa nas características de resistência do concreto, o agregado de escória de aço pode ser pré-tratado por polimento em uma máquina de abrasão de Los Angeles. Este agregado grosso polido parece ter uma qualidade melhorada, com uma superfície mais lisa e resistência à emersão da micro-fissura. Isso resulta em uma maior densidade superficial seca e menor taxa de absorção de água em comparação com o agregado de escória de aço regular e não tratado. Além disso, o tratamento de polimento do agregado de escória grossa tem um impacto nas falhas de fadiga do concreto. Para concreto com agregado de escória não tratada, pode-se observar fratura de agregados, e a falha por fadiga termina no tipo de fratura de agregado. Por outro lado, num caso de agregado de escória polido, a maioria dos agregados são sólidos e a falha por fadiga termina no tipo de interface-peeling entre pasta e agregado .

As características do agregado de escória polida resultam em melhorias nas características do concreto, tais como resistência à fadiga, tensão, emissões acústicas e dureza dos materiais sob cargas de fadiga compressiva. A outra forma de melhorar a qualidade do agregado de escória (particularmente a ITZ) é através de um tratamento acelerado de carbonatação do agregado de escória de aço. Esse processo de carbonatação é conduzido em um reator de carbonatação que foi selado a 70°C e aspirado a -0,3 MPa . Em seguida, o CO2 foi introduzido no reator até que a pressão atingisse 0,3 MPa. Este processo causou uma mudança na estrutura dos poros agregados. Ele reduz em 24,4% a ocorrência de poros com diâmetro superior a 1 μm e aumenta em 67,9% a ocorrência de poros com diâmetro inferior a 1 nm .

Após a carbonatação, a taxa de absorção de água agregada da escória de aço diminuiu, enquanto suas propriedades de impermeabilidade aumentaram. A taxa de expansão da escória de aço também é reduzida, devido à redução do teor de CaO livre. Para a comparação da resistência do ITZ para concreto com o agregado de escória natural e de escória de aço, a resistência da escória de aço carbonatada e do agregado natural foi comparada de forma a obter-se a resistência à compressão do concreto. Embora a resistência de esmagamento do agregado de escória carbonatada fosse menor que a do agregado natural, a resistência à compressão do concreto de escória melhorou. Quando a seção transversal da amostra de concreto foi submetida a testes de resistência à compressão, as fissuras não atravessaram o meio do agregado, mas viajaram em torno do grão de si mesmas. Assim, a ITZ do agregado de escória de aço carbonatada de concreto é mais forte e mais resistente do que a do concreto de agregado natural.

A carbonatação do agregado de escória também tem um impacto ambiental benéfico -nomeadamente, reduzindo o potencial de lixiviação de certos elementos. Na análise das características de lixiviação do agregado de escória de aço inoxidável, verificou-se que Ca e Si são os elementos mais sensivelmente afectados pela carbonatação, devido às alterações nas fases minerais responsáveis pelo controlo da solubilidade destes elementos . A lixiviabilidade do Cr, um dos elementos mais tóxicos do agregado de escória, pareceu não ser significantly afetado pela carbonatação, embora Mo tenha mostrado alguma redução na lixiviação.