In recent years, scientific studies are carried out to find new refractory material. Having good mechanical properties under very high temperatures, refractories are widely used in industries like iron, steel, glass, cement and pottery. Researches are focused on monolithic refractory making because of their superior properties comparing to conventional firebrick refractories. Providing a mono-block body, having no joints makes the monolithic refractories more durable at elevated temperatures. Easier production and installation are two main points that people are choosing monolithic refractories, thus an economy is made. In this study, for monolithic refractory production, high alumina cement was used as binding material. It is known that the increase in alumina (Al2O3) content increases the high temperature resistance, so that crushed firebrick, having 85% Al2O3 was used as aggregate. Pozzolanic materials, which are silica fume, fly ash, ground granulated firebrick and ground granulated blast furnace slag, were added to improve physical and mechanical properties of mortar. With the addition of steel fibres, change in compressive strength and flexural strength was observed.Superplasticizer was used to understand its behaviour under high temperatures. Portland cement containing mortars were also prepared to make comparison with high alumina cement containing specimens. Specimens were prepared in 5x5x5 cm and 4x4x16 cm prisms. They were cured for one day at curing room, then heated to 105&deg / C and then heated to 1100&deg / C. Weight, size and ultrasound velocity change, compressive strength and flexural strength tests were done to determine physical and mechanical properties of the monolithic refractories, before and after heating. Heated and non-heated specimens were pulverized for microstructural investigation with X-Ray diffraction (XRD) method. Using high alumina cement with 50 &ndash / 60 % granulated blast furnace slag or granulated firebrick, by the weight of cement, and crushed firebrick as aggregate, a satisfactory monolithic refractory material was made. It was observed that, mechanical properties were decreased at the Portland cement used mortars after several times of heating and cooling cycles. Also, it was determined that the microstructure of the high alumina cement containing mortars did not deteriorate much at 1100&deg / C, as long as there was no change observed from the results.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The study of concrete structures durability necessarily passes by the study of covercrete and by the understanding of the factors that affect the features of this superficial layer. The use of high contents of mineral addictions on the concrete influences meaningfully the resistance of the covering layer to the chemical attack and on the pores structure. This dissertation aimed to analyze, through the obtained results in the tests of capillary water absorption, according to the RILEM TC 116 PCD Recommendation, and to the diffusion of water held following the directives DAN et al (1988) presented by Isaia (1995), based on publications of CSTB, the percolation of water on concrete covering layer, besides co-relating with the resistance to 50 MPa, the total volume of intruding mercury and the critical diameter of the pores. To these analysis perform, prototypes specimens of 75 cm x 20cm x 15cm have been molded with high contents of mineral additions, 70 % of slag and 20% of fly ash, in replacement to the cement mass, with or without addition of 20% of hydrated lime, in mass, and w/cm relationships 0,3 ; 0,4 ; 0,5 besides the reference mix proportion, only with cement and w/cm relationships 0,4; 0,6 e 0,8. The tests of capillary absorption and water diffusion were held, on the 91 and 300 days to execute the comparative study between these two ages, extracted specimens of 10 cm x 20 cm, from the prototypes had been accomplished, being closed to 0, 2,5 e 5,0cm of depth from the surface. After performing the analysis, it has been noticed that the replacement of cement by mineral additions causes a strength reduction to the compression, being it more accentuated in the initial ages and eased as the time passes by. In relation to the coefficients of water absorption and diffusion of the concretes with mineral additions compared to the reference concretes in equality of w/cm and ages, being analyzed the use of additions, meaningful reductions that get to 79% in the absorption and 69% in the diffusion, on the 300 day. When analyzed considering the depth (in equality of w/cm) the layer reduction 3 (5cm) in relation to 1(0,5cm) gets to 55% in the absorption and 31% in the diffusion, on the 300 day, and in the mix proportion with addition of hydrated lime, justifiable by the fact of the hydrated lime stored water helping in the hydrating process producing a more compact matrix. In equality of 50 Mpa compressive strength, the reductions are 86% to the absorption and 70% to the diffusion. It s been noticed, as to the absorption as to the diffusion, a strong co-relation with the intruding total volume and the pores diameter on the 300 day. / O estudo da durabilidade das estruturas de concreto passa, necessariamente, pelo estudo do concreto de cobrimento e pelo entendimento dos fatores que afetam as características dessa camada superficial. O uso de altos teores de adições minerais no concreto influencia significativamente a resistência da camada de cobrimento ao ataque químico e a estrutura dos poros. Esta dissertação tem por objetivo analisar, através dos resultados obtidos nos ensaios de absorção capilar de água, conforme a norma RILEM TC-116 PCD, e de difusão de água, realizado seguindo as diretrizes de Dan et al (1988), apresentadas por Isaia (1995), baseadas em publicações de CSTB, a percolação de água na camada de cobrimento do concreto, além de correlacionar com a resistência a 50 MPa , o volume total de mercúrio intrudido e o diâmetro crítico dos poros. Para realização dessas análises, foram moldadas peças protótipos de 75 cm x 20 cm x 15 cm, que permaneceram em exposição ambiental até a data de realização dos ensaios. Os protótipos foram moldados com altos teores de escória, 70% e cinza volante 20%, em substituição à massa de cimento, com e sem adição de 20% de cal hidratada, em massa, e uma relação a/mc 0,3, 0,4, 0,5, além do traço de referência, somente com cimento e relação a/c 0,4; 0,6 e 0,8. Os ensaios de absorção capilar e de difusão de água foram realizados aos 91 e 300 dias. Para executar o estudo comparativo entre essas duas idades, foram extraídos testemunhos 10 cm x 20 cm dos protótipos sendo cerrados a 0, 2,5 e 5,0 cm de profundidade a partir da superfície. Após a realização das análises, observou-se que a substituição de cimento por adições minerais acarreta uma diminuição na resistência à compressão, sendo mais acentuada nas idades iniciais e amenizada com o passar do tempo. Em relação aos coeficientes de absorção e de difusão de água dos concretos com adições minerais, comparados com os concretos de referência, em igualdade de a/mc e idades analisadas, o uso de adições resultou em significativas reduções nesses coeficientes, que chegam a 79% na absorção e de 69% na difusão, aos 300 dias. Quando analisados em função da profundidade (em igualdade de a/mc), as reduções da camada 3 em relação à camada 1 chegam a 55% na absorção e 31% na difusão, aos 300 dias e nos traços com adição de cal hidratada. Esse comportamento é justificável pelo fato de a cal hidratada armazenar água auxiliando nos processos de hidratação, produzindo uma matriz mais compacta. Em igualdade de resistência, as reduções são de 86% para a absorção e de 70% para a difusão. Observa-se, tanto para a absorção como para a difusão, uma forte correlação com o volume total intrudido e o diâmetro dos poros aos 300 dias.

The carbonation phenomenon, reaction between CO2 from the atmosphere in the presence of humidity with the Portland cement hydration products, induces pH reduction to levels that can cause the elimination of steel s protective layer, enabling the corrosion mechanism of the steel structure to start.. This is one of the main pathologies in the reinforced concrete and its occurrence depends on the existence of oxygen, humidity and potential difference between two different locations of the steel bar. This research analyzed the performance of different concrete mixtures produced with Portland cement with high levels of blast furnace slag, with and without the chemical activator sodium sulfate (Na2SO4), in relation to compressive strength, capillary absorption and carbonation. For comparison purposes, gray Portland cement concrete test samples were also cast. For the white Portland cement concrete, slag contents of 0% and 50%, without and with chemical activator at concentrations of 4% and 70% were chosen. With the gray Portland cement it was produced concrete with 0% and 50% of slag addition, with and without chemical activator. For each mixture was adopted water/binder ratios of 0.30, 0.42 and 0.55. The samples cast with white Portland cement, destined to the compressive strength tests were broken at 3, 7, 28 and 91 days and the capillary absorption tests were done 91 days after molding. The samples destined to accelerated carbonation tests, cast with the two kinds of cements, were submitted to an atmosphere with 2% CO2 concentration, temperature of 23±1ºC and relative humidity of 75±2%. The carbonation depths determination was realized in the ages of 0, 3, 6, 9 and 12 weeks, after entrance in the chamber. From results obtained it was noticed that compressive strength reduced as the slag content and water/binder ration increased. In more advanced ages, however, the difference in compressive strength between mixtures with slag and the reference mixture was smaller than in the first ages. The capillary absorption reduced with the slag content increase, as a consequence of the refinement pores. The carbonation depth, for the white and gray concretes, increased with the slag content and the chemical activator utilization. In a comparison between white and gray Portland cement concretes, for the same slag content and water/binder ratio, the higher carbonation depths were reached with the white concrete, and this difference was higher when the water/binder ratio was increased. / O fenômeno da carbonatação, reação entre o CO2 da atmosfera em presença de umidade com os produtos de hidratação do cimento Portland, provoca a redução do pH do concreto a níveis que podem causar a eliminação da película passivadora do aço, podendo ocorrer a instalação do mecanismo de corrosão das armaduras, uma das principais patologias em estruturas de concreto armado, desde que para isto, exista oxigênio, umidade e uma diferença de potencial entre dois pontos distintos da barra de aço. Esta pesquisa analisou o desempenho de diferentes misturas de concretos produzidos com cimento Portland branco com altos teores de escória de alto forno, com e sem ativador químico sulfato de sódio (Na2SO4), frente à resistência à compressão, absorção capilar e carbonatação. Para efeito de comparação da resistência à carbonatação, também foram moldadas amostras com concreto de cimento Portland cinza. Para o concreto de cimento Portland branco foram adotados os teores de adição de escória de 0%, 50% sem e com ativador químico no teor de 4% e 70%. Com o cimento Portland cinza foram produzidos concretos com 0% e 50% de adição de escória sem e com ativador químico. Para cada mistura foram adotadas três relações água/aglomerante, 0,30, 0,42 e 0,55. Os corpos-deprova, moldados com cimento Portland branco, destinados aos ensaios de resistência à compressão foram rompidos aos 3, 7, 28 e 91 dias e os ensaios de absorção capilar foram realizados 91 dias após a moldagem. As amostras destinadas ao ensaio de carbonatação acelerada, moldadas com os dois tipos de cimento, foram submetidas a uma atmosfera com concentração de 2% de CO2, temperatura de 23±1ºC e umidade relativa de 75±2%. A determinação da profundidade carbonatada foi realizada nas idades de 0, 3, 6, 9 e 12 semanas, após a entrada na câmara de carbonatação. Dos resultados obtidos constatou-se redução nos valores de resistência à compressão das misturas com escória com o aumento no teor de adição e da relação água/aglomerante, porém, em idades mais avançadas, a diferença entre as resistências das misturas com adição e aquelas da mistura de referência foi menor que nas primeiras idades. A absorção capilar diminuiu com o aumento no teor de adição de escória, conseqüência do refinamento dos poros. A profundidade de carbonatação, para os concretos branco e cinza, aumentou com o aumento no teor de escória e a utilização de ativador químico. Na comparação entre os concretos de cimento Portland branco e cinza analisados, para mesmo teor de adição e relação água/aglomerante, as maiores profundidades de carbonatação foram atingidas pelo concreto branco, e esta diferença foi maior à medida que aumentou a relação água/aglomerante.

Drying Shrinkage is a phenomenon that occurs in concrete, subjected or not to a load, due to water loss, once exposed to environment and allowed to dry. It is responsible for almost the entire total shrinkage strain in concrete. A concrete element with restrained shrinkage deformation may develop tensions that cause cracks, allowing the ingress of aggressive agents that may cause some damage to the reinforcement, reducing, consequently, its strength and durability. The most common aggressive agent into concrete is the chloride ion, which is considered the great responsible for the early reinforcement corrosion of concrete structures, affecting its stability and durability. Corrosion of reinforcement bars due to the ingress of salts from sea water into concrete is recognized to be the most influent factor in the destructive mechanisms for marine structures. The use of mineral admixtures such as blast furnace slag, the increase of curing duration and the water/binder ratio reduction are measures that may reduce the chloride ion penetration. The aim of this study was to investigate the influence of the cement replacement content by slag, as well as the duration of curing on drying shrinkage, chloride ion penetration and compressive strength of concretes made with high early age strength cement and white Portland cement. Water-binder ratios of 0.30, 0.42 and 0.55, curing duration of 3 and 7 days, besides the cement replacement contents of 0%, 50% and 70% were investigated. In order to analyze the influence of the alkali activation on the properties investigated, a concrete made with 50% white Portland cement replacement content by slag and activated by sodium sulfate (4% in mass of binder) was used. The compressive strength was evaluated in the ages of 3, 7, 28 and 91 days; the drying shrinkage in the ages of 7, 14, 21, 28, 35, 56, 91 and 182 days, and the chloride ion penetration (immersion test in chloride solution) in the ages of 7, 14, 28, 56 and 91 days. Before being immersed in the chloride solution, the specimens were subjected to a drying period of 91 days. The results obtained revealed that an increase in the slag content decreased the compressive strength and the drying shrinkage values, besides the smaller depths of chloride penetration with both cements used. Reducing the curing duration resulted greater drying shrinkage and depth of chloride penetration for both cements, independently the slag content. / A retração hidráulica é um fenômeno que ocorre no concreto, submetido ou não a carregamento, devido à perda de umidade, uma vez exposto ao meio ambiente e permitida sua secagem. Ela é responsável por praticamente toda a deformação total por retração no concreto. Um elemento de concreto com restrição de deformação por retração pode desenvolver tensões que levam à formação de fissuras, através das quais agentes agressivos podem penetrar e causar algum dano à armadura, reduzindo sua resistência e durabilidade. O agente agressivo mais comum é o íon cloreto, o qual é considerado como a maior causa de corrosão prematura das barras de armaduras das estruturas de concreto, afetando sua estabilidade e vida útil. A corrosão de armaduras devido ao ingresso de íons cloretos da água do mar no concreto é universalmente conhecida como o fator de maior influência nos mecanismos destrutivos de estruturas marinhas. A utilização de adições minerais como a escória de alto forno, o aumento no prazo de cura e a redução na relação água/aglomerante são medidas que podem diminuir a penetração desses íons no concreto. Este trabalho teve por objetivo investigar a influência do teor de escória e do período de cura na retração hidráulica, na penetração de íons cloretos e na resistência à compressão axial de concretos compostos de cimento Portland de alta resistência inicial e cimento Portland branco estrutural. Foram adotadas relações água/aglomerante de 0.30, 0.42 e 0.55, teores de escória, em substituição ao cimento Portland, de 0%, 50% e 70%, além de períodos de cura de 3 e 7 dias. Foi empregada uma mistura composta de 50% de escória em substituição ao cimento Portland branco, ativada quimicamente por sulfato de sódio (4% da massa de aglomerante) para analisar a influência do ativador nas propriedades investigadas. As idades avaliadas para o ensaio de resistência à compressão foram de 3, 7, 28 e 91 dias; para retração hidráulica idades de 7, 14, 21, 28, 35, 56, 91 e 182 dias e, para penetração de íons cloretos (imersão em solução salina) as idades de 7, 14, 28, 56 e 91 dias. Antes de serem imersos em solução salina os corpos-de-prova foram submetidos a um período de secagem de 91 dias. Dos resultados obtidos, constatou-se que o aumento do teor de escória resultou em decréscimo nos valores de resistência à compressão, de retração e de penetração de cloretos para os dois cimentos investigados. A diminuição no período de cura resultou em maiores valores de retração e de penetração de cloretos, tanto no concreto branco quanto no cinza, independentemente do teor de escória utilizado.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Sulfate ions found in seawater, groundwater and wastewater are aggressive agents that can result in severe concrete degradation. They react with cement hydration products and depending on the associated cations present (magnesium, calcium, potassium, sodium, ammonium), their concentrations and the conditions of the environment, this can result in the formation of ettringite, gypsum or thaumasite, decalcification of C-S-H, processes which may cause expansion, cracking and loss of mass and strength.When high sulfate resistance is required, national and international standards prescribe the use of cement with high concentrations of granulated blast furnace slag (GBFS). By substituting GBFS for cement, lower amounts of clinker are required. In addition, the pozzolanic activity of GBFS takes up the CH released by the hydration of silicates (C3S e C2S), which then is not available to react with sulfate ions to form gypsum, resulting in a more dense paste with lower penetrability. GBFS is one of the few mineral admixtures that can be added to white Portland cement (WPC), a material with widespread usage in civil construction, particularly in cases where concrete is used as a finished surface for architectural impact. The substitution of GBFS for WPC offers technical and environmental gains as well as economic advantages due to the higher cost of WPC. This study investigated the sulfate resistance of WPC with 0%, 50% and 70% GBFS as a substitution for cement. A mix with 50% GBFS that was chemically activated with Na2SO4 (4% b/w of binder) was also studied. The performance of the blended cements was monitored by exposing the prepared mortar specimens to a solution of Na2SO4 (5%) for 2 years according to ASTM C1012/04 and using TG/DTA, DRX and SEM/EDX analyses of the paste samples. For comparison, the same blends prepared with high early strength Portland cement (PC) were also used. The results showed the benefits of the use of GBFS in both types of cement, with higher concentrations of slag resulting in improved sulfate resistance. The use of chemical activation reduced expansion when compared with mixtures without activation. For long-term exposure, all WPC blends showed lower expansion than the corresponding blends with PC. Microstructural analysis identified ettringite and gypsum as the main degradation products of the sulfate attack. / Os íons sulfato, encontrados na água do mar, em águas subterrâneas e em águas residuárias são agentes agressivos que podem levar a uma severa degradação do concreto. Ao reagirem com os produtos de hidratação do cimento, dependendo do tipo de cátion a que estão associados (magnésio, cálcio, potássio, sódio, amônio, etc.), da concentração e das condições do meio, podem levar à formação de etringita secundária, sulfato de cálcio, taumasita, descalcificação do C-S-H, podendo ocorrer expansão, fissuração, perda de massa e de resistência. Quando se faz necessário assegurar uma elevada resistência ao sulfato, a normalização nacional e internacional, dentre outras recomendações, especifica o uso de cimento com elevados teores de escória de alto-forno. Além da redução da quantidade de clínquer ocasionada pela substituição do cimento por escória, a atividade pozolânica da mesma consome o CH liberado pela hidratação dos silicatos (C3S e C2S), que não fica disponível para reagir com os sulfatos e formar sulfato de cálcio, e promove a densificação da matriz, reduzindo a penetrabilidade do meio. A escória é também uma das poucas adições que podem ser incorporadas no cimento Portand branco (CPB), que vem se tornando uma nova tendência dentro do contexto da construção civil, quando se opta por concreto aparente em obras com forte apelo arquitetônico. Além das vantagens técnicas e ambientais, a substituição do cimento branco por escória possibilita a redução do custo bastante elevado do CPB. Neste estudo, investigou-se a resistência ao sulfato de sódio do CPB com teores de substituição de escória de alto-forno de 0%, 50% e 70%. Também foi investigada uma mistura com 50% de escória ativada quimicamente por Na2SO4 (em teor de 4% em massa do material aglomerante). O desempenho dos cimentos foi avaliado pela exposição de argamassas em solução de 5% de Na2SO4 por dois anos, de acordo com a ASTM C1012/04 e através de análise de DRX, TG/DTA e MEV/EDS em pastas. Para comparação foram investigadas as mesmas misturas compostas com cimento Portland de alta resistência inicial, CPV-ARI. Os resultados mostraram os benefícios do uso da escória em ambos os cimentos, sendo que o acréscimo do seu teor aumentou a resistência ao ataque por sulfatos. A ativação química reduziu a expansão comparativamente às misturas sem ativador. A longo prazo, todas as misturas com o CPB apresentaram menor expansão do que aquelas com CPV-ARI. A análise da microestrutura identificou a etringita e o sulfato de cálcio como os principais produtos de degradação por sulfato de sódio.

A crescente preocupação ambiental e a atual crise energética fazem com que indústrias, de um modo geral, intensifiquem esforços para maximização de processos de produção e reutilização de subprodutos gerados. Na siderurgia a produção do aço é realizada por meio da extração do minério de ferro adicionando-se fundentes, gerando como subproduto uma ganga em forma de escória de alto forno. Na presente pesquisa foram compostas misturas de concreto compactado com rolo CCR visando o emprego como base de pavimentos, utilizando três diferentes materiais de granulometria miúda: areia natural, areia industrial e escória granulada de alto forno (com dimensão máxima de 4,8 mm) nas quantidades de 50 % e 100 %; para fins de análise da influência destas diferentes areias foram confeccionados corpos de prova cilíndricos e prismáticos moldados na umidade ótima e no ramo seco da curva de compactação. Foram investigados parâmetros referentes à umidade de compactação, massa específica, resistências à tração indireta e à tração na flexão, módulos de elasticidade por pulso ultrassônico, além de módulos de elasticidade estáticos obtidos a partir de curvas tensão-deformação e por analogia de Möhr (medida de flecha em vigotas em flexão). Visando avaliar a aplicabilidade dos CCR estudados, em especial aquele com escória, foi utilizado o programa computacional MnLayer (para análise de tensões em pavimentos asfálticos) empregando camada de base rígida em CCR para estruturas de pavimentos sujeitos à ação de cargas do tráfego de veículos rodoviários, portuários e aeroportuários, observando a influência dos três tipos de agregados miúdos no nível de tensões da camada cimentada, o que depende em grande parte do módulo de elasticidade da camada de base. Observou-se queda nas resistências dos CCR quando da incorporação de 50 % ou 100 % de escória granulada; por outro lado, essas misturas apresentaram ganhos de resistência em idades mais avançadas em comparação a misturas que empregaram areias natural ou industrial. O módulo de elasticidade dos CCR, com a presença da escória, parcial ou total como fração areia, em geral decresceu à exceção de seu emprego em conjunto com areia natural. As misturas com escória granulada, do ponto de vista de análise mecanicista, resultaram em exigências de maiores espessuras do material, o que não pode fazer tal mistura economicamente viável em qualquer situação, para os casos de misturas com 100 % de escória granulada de alto forno e com fração mista de areia natural e escória. / The increasing environmental concerns as well as energy sources shortage leads industry to consider both optimization of production processes and sustainable use and disposal of its by-pass products. In siderurgical steel manufactures the most common by-pass product is the blast furnace slag with emphasis to its granulated shape. This study considered the evaluation of rolled compacted concretes (RCC) mixtures containing natural or industrial sands as well as such slags at 50% and 100% (with maximum diameter of 4.8 mm) as candidates for pavement base layers. The analysis considered laboratory compaction tests in order to verify the influence of such sands on concrete physical parameters as bulk density and optimum moisture content. Evaluation of mechanical parameters as indirect tensile strength, flexural strength, ultrasonic modulus of elasticity and static modulus of elasticity were carried out as part of the study. Through mechanistic analysis using the elastic layered theory-based computational program MnLayer it was possible to verify implications of each RCC mixture design on pavement thickness and tensile stresses in cemented base layers, in consideration of highway, harbor and airport vehicles. Loss of resistance was verified for RCC mixtures at 50% and 100% slag sand; on the other hand such mixtures have improved its strengths at advanced ages (180 days) compared to the other sands. The modulus of elasticity also decreased for mixtures containing slag sands with exception to the blend of natural and slag sand. Under the mechanistic stand point slag sand mixtures requires thicker base layers in pavements that could lead, depending on several factors, to less cost-effective results in the case of 100% slag sands mixtures and blend (50%-50%) natural and slag sands mixtures.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2601.pdf: 5587826 bytes, checksum: 717a8aef3900d3dc9c6e48239028afeb (MD5) Previous issue date: 2008-04-04 / The evolution of the world-wide production of steel in rates superior to 7% per year in the last five years, strongly driven by China, which got off 222,4 millions in 2003 for 489,0 million tons in 20071, leads to a strong increase in the demand of iron ore. Therefore, fine ore price of Carajás for Asia went out from 28,14 in 2003 for 73,20 US$ cents for unity of iron in 2007. An increase of 160%. These facts, when related to the layer exhaustion and the growing environmental pressures on Iron and Steel Plants of the whole world, have been taking to a series of studies to the use of the residues bearers from iron produced in these factories. Up to that time, there has not been consolidated any technology which is technically and economically viable for the recycling of these residues so far. The present work is about the usage of the blast furnace mud, the mill scale and the iron oxide produced in the pickling lines of Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) in self reduction pellets shape. It starts the productions in scale laboratorial and industrial after the chemical and physical characterizations from these raw materials. As soon as the most appropriated formulation was defined, the production in experimental scale began. These tests were carried out in the residues palletizing pilot plant, developed by CSN. There were also tests of self reduction and of meltreduction. In the first one, the formation of a metal drop inside a hallow sphere was obtained, and in the second one a metal profit of 99,1%. In sequence, the alternatives were valued for internal recycling of these pellets. The use of the heat contained in the empty hot-metal torpedo-cars for self-reduction showed the most economical route. This technology of recycling was introduced industrially in CSN. Thus, in the present work of doctorate, it was developed an unpublished route for industrial recycling for iron and steel residues, which was technically and economically feasible. / O crescimento da produção mundial de aço bruto em taxas superiores a 7% ao ano nos últimos cinco anos, fortemente impulsionado pela China, que saltou de 222,4 milhões em 2003 para 489,0 milhões de toneladas em 20071, gerou um forte aumento na demanda de minério de ferro. Com isso, o preço do minério fino de Carajás para a Ásia saiu de 28,14 em 2003 para 73,20 US$ cents por unidade de ferro em 2007. Um aumento de 160%. Estes fatos, associados à exaustão das jazidas e as crescentes pressões ambientais sobre as Siderúrgicas de todo o mundo, têm levado a uma série de estudos para o aproveitamento dos resíduos portadores de ferro gerados nestas Usinas. Até então, não se consolidou nenhuma tecnologia viável técnica e economicamente para esta reciclagem. O presente trabalho trata da utilização da lama de alto-forno, da carepa de laminação e do óxido de ferro gerado nas linhas de decapagem da Companhia Siderúrgica Nacional CSN na forma de pelotas auto-redutoras. Após as caracterizações químicas e físicas destas matérias-primas, partiu-se para as produções em escala laboratorial e industrial. Definida laboratorialmente a formulação mais adequada, partiu-se para a produção experimental. Esta foi realizada na planta piloto de pelotização de resíduos, desenvolvida pela CSN. Foram realizados ensaios de auto-redução e de fusão-redução. No primeiro, o resultado foi a formação de uma gota metálica dentro de uma esfera oca e no segundo, um rendimento metálico de 99,1%. Em seqüência, foram avaliadas as alternativas para reciclagem interna destas pelotas. A utilização do calor contido nos carrostorpedo vazios para a auto-redução se mostrou como a rota mais econômica. Esta tecnologia de reciclagem já se encontra implantada industrialmente na CSN. Portanto, no presente trabalho de doutoramento, desenvolveu-se uma rota inédita de reciclagem industrial dos resíduos siderúrgicos portadores de ferro, viável técnica e economicamente.

Generation of wastes in the form of liquid, solid or gas is inevitable in any industry.Industrial Solid Waste is the waste that is generated from an industrial or manufacturing process and includes the waste generated from non-manufacturing activities as well.Most of these wastes fall under the category of Ashes, Slagsor Sludges. For the present work, three types of secondary lead slag, two types of granulated blast furnace slag (GBS) or iron slag and four types of steel slags were procured and studied.An elaborate study on various characteristics of the slags has been performed. Based on the results, all the possible applications for the individual slags are considered. The performance of the secondary lead slag as an embankment material was analyzed. The slope stability for various conditionswas analyzed using Geo5 and experimentally determined strength parameters. It was found that the material can be used safely for embankment constructions.The CBR values were very good in the range for both GBS and steel slag,thus repeated load triaxial test are done to determine the resilient modulus. k1-k3model was adopted and the regression coefficients were determined. Based on the results the pavement design is done using KENPAVE software. An exercise has been performed to determine the quantity of the conventional material that could be saved, considering the type and size of the pavement. For the aggregate sized steel slag, the tests were done to find the suitability of the material for various applications like, as railway ballast, concrete aggregate, gabion and rip rap stones. And the tests result shows the material to be suitable for these applications and is expected to perform well. Study on morphological parameters reveals that the size and gradation of any material plays an important role in its mechanical behavior, however in the case of slags, this could be tailor made by using appropriate crushers, as per the requirements.

A reação álcali-agregado é uma manifestação patológica diretamente ligada à seleção dos materiais (cimento, agregados miúdo e graúdo, água e aditivos) que pode comprometer a durabilidade das estruturas de concreto, uma vez que a interação desses materiais e as condições ambientais é que vão conferir ao concreto determinadas propriedades ligadas à sua vida útil. A reação entre os hidróxidos alcalinos solubilizados na fase líquida dos poros dos concretos e alguns agregados reativos é lenta e resulta em um gel que, ao se acumular em vazios do concreto e na interface pasta-agregado, na presença de água, se expande, exercendo pressão interna no concreto. Ao exceder a resistência à tração do concreto, a pressão interna pode promover fissurações. A reação álcali-agregado requer a atuação conjunta de água, agregado reativo e álcalis. Sua prevenção pode ser feita a partir da eliminação de um dos fatores, ou seja, a partir do emprego de agregados inertes ou de cimentos com baixos teores de álcalis ou isolamento da umidade. Na impossibilidade de eliminar um dos fatores, medidas preventivas devem ser tomadas para o emprego de agregados reativos em obras de construção civil. Entre essas, destacam-se a utilização de cimentos com baixos teores de álcalis ou a de cimentos com adições ativas mitigadoras da reação álcali-agregado: escória de alto-forno, cinza volante, metacaulim e sílica ativa, que foi o objeto de pesquisa do presente trabalho. No programa experimental foram analisados dois tipos de agregado potencialmente reativos com os hidróxidos alcalinos: EDVDOWR e PLORQLWR_ JUDQtWLFR. O primeiro, proveniente de rocha ígnea, tem como constituintes deletérios vidro, clorofeíta, calcedônia (sílica criptocristalina), que dará origem à reação do tipo iOFDOL_VtOLFD. O agregado milonito granítico provém de rocha metamórfica, tem como constituintes deletérios quartzo microgranular, quartzo recristalizado, quartzo com extinção ondulante e quartzo e feldspato deformados, que dará origem ao tipo de reação iOFDOL_VLOLFDWR. Com o objetivo de avaliar a eficiência de adições ativas em mitigar as reações, os agregados foram combinados com 16 cimentos com adições ativas. Escória de alto-forno foi adicionada a 15%, 30%, 45% e 60% e cinza volante, a 10%, 15%, 25% e 35%, teores normalmente encontrados nos cimentos brasileiros. Metacaulim foi adicionada a 5%, 10%, 15% e 20%, e sílica ativa, a 5%, 10% e 15%, teores representativos da faixa normalmente adicionada diretamente a concretos. Todos os materiais utilizados foram caracterizados química, física e mineralogicamente, incluindo a análise petrográfica dos agregados. As barras de argamassa foram analisadas ao MEV, microscópio óptico de luz transmitida, realizaram-se ensaios de porosimetria por intrusão de mercúrio e análises térmicas para quantificar a teor de portlandita residual, e determinou-se o teor de álcalis dentro das barras após a realização dos ensaios para verificar a migração de íons de sódio. Os resultados indicam que a eficiência das adições ativas varia de acordo com a composição química e mineralógica das adições, da proporção desse material no cimento, e do grau de reatividade do agregado. / The alkali-aggregate reaction is a pathologic manifestation that can induce the premature distress and loss in serviceability of concrete structures affected. It is directly associated to the selection of materials (cement, coarse and fine aggregates, water and additives), as the interaction between these materials and environmental condition will grant the concrete some of the properties related to its service life. The slow reaction between alkali hydroxides soluble in the liquid phase within concrete pores and reactive aggregates gives rise to a gel that piles up within concrete voids and the aggregate-paste interface. In presence of water, the gel expands and exerts internal pressure in the concrete. When the internal pressure exceeds the tensile strength, cracking may come up as result. The alkali-aggregate reaction requires the action of water, reactive aggregate and alkalis altogether. Prevention can be carried out by eliminating one of these factors, i.e. employing either inert aggregates or lowalkali cements, or keeping the concrete away from moisture. Otherwise, preventive measures must be taken when reactive aggregates are used in civil construction works, such as the use of low-alkali cements or composite cements bearing alkaliaggregate- reaction mitigating admixtures: blast-furnace slag, fly ash, metakaolin and silica fume, which are the object of the present research. The experimental work included the analysis of two potentially reactive aggregates to alkali hydroxides: basalt and granite milonite. The igneous basalt carries deleterious constituents such as glass, chloropheite (cryptocrystalline silica), that will give rise to the DONDOL_VLOLFD type reaction while the metamorphic granite milonite carries micro granular, recrystallized, undulate-extinction-bearing quartz and deformed feldspar grains, that give rise to DONDOL_VLOLFDWH type reaction. Aiming at evaluating how efficient in mitigating these reactions the active admixtures are, these aggregates were mixed with 16 composite cements. The contents of admixtures followed those usually found in Brazilian industrial cements for blast-furnace slag (15%, 30%, 45%, 60%) and fly ash (10%, 15%, 25%, 35%), and those generally added directly to concrete for metakaolin (5%, 10%, 15%, 20%) and silica fume (5%, 10%, 15%). All materials were characterized for their chemical composition, physical properties and mineralogy. Petrography was carried out on the aggregates. The mortar bars were analyzed at the scanning electronic and transmitted-light optical microscopes. Mercury-intrusion porosimetry and thermal analyses were carried out to quantify residual portlandite. The alkali content within the bars was determined in order to verify migration of Na+ ions. The results show that the efficiency of active admixtures varies according to their chemical and mineralogical composition and proportioning in cement, and to the aggregate reactivity.

O objetivo desta tese foi o estudo da influência do aditivo redutor de retração (SRA) e o aditivo compensador de retração (SCA) em argamassas e pastas de cimento de escória ativada com silicato de sódio. A metodologia foi centrada na análise da retração por secagem e autógena, com o estudo de outras características que influenciam no fenômeno da retração, como as propriedades mecânicas. Para o avanço no conhecimento do efeito dos aditivos no comportamento do cimento de escória, foi caracterizada a microestrutura com a determinação da análise por termogravimetria, porosimetria e difração de raios X. Neste estudo foram empregados os seguintes teores de aditivo, porcentagem relativa à massa de aglomerante: 0,5%, 1%, 1,5% e 2% do aditivo SRA e 5%, 10% e 15% do aditivo SCA. Para a análise da influência da relação a/agl foram empregadas três teores: 0,40, 0,48 e 0,56. No estudo das amostras de referência, sem a utilização de aditivo, observou-se que o aumento da relação a/agl causa o aumento da retração por secagem e da retração autógena do cimento de escória ativada. A diminuição da resistência mecânica com o aumento da relação a/agl, o que torna o esqueleto sólido mais susceptível à deformações, e o aumento das tensões capilares, em razão do aumento da quantidade de água livre para ser evaporada, são os principais fatores para o aumento da retração por secagem. No caso da retração autógena, seu aumento é atribuído ao aumento da auto-secagem com o aumento do volume de poros com diâmetro na faixa de mesoporos, além da diminuição da resistência mecânica. O aditivo redutor de retração (SRA) conseguiu reduzir a retração por secagem em percentuais de 40% até 74% aos 28 dias, no entanto, este tipo de aditivo não obteve êxito no combate a retração autógena. Com relação à resistência mecânica, o aditivo SRA causou a redução de até 40%, efeito atribuído à diminuição do grau de hidratação e retardo do refinamento da porosidade. O aditivo compensador de retração (SCA) amenizou a retração por secagem e a retração autógena, reduzindo em até 64% e 70%, respectivamente, porém reduziu em até 60% a resistência mecânica do cimento de escória ativada. Com relação à microestrutura, o aditivo SCA diminuiu o grau de hidratação e aumentou a porosidade total, com o aumento da proporção do volume de macroporos. / The aim of this research was the study of the influence of shrinkage reducing admixture (SRA) and shrinkage compensating admixture (SCA) in mortars and pastes of blast furnace slag activated with sodium silicate. The method was centered in the analysis of free drying and autogenous shrinkage, with other characteristics that affect the shrinkage, as the mechanical properties. The microstructure behavior was accomplished with thermogravimetry (TG), mercury intrusion porosimetry (MIP) and X-ray diffraction (XRD). The samples were prepared with 0,5%, 1%, 1,5% and 2% of SRA admixture and 5%, 10% and 15% of SCA admixture, by binder mass. The effect of water/binder ratio was accomplished in three contents: 0,40, 0,48 and 0,56. In the reference mixtures, without admixtures, it was observed that an increase of water/binder ratio incurs in an increase of drying and autogenous shrinkage of alkali activated slag. The explanations for drying shrinkage behavior are the decrease of mechanical strength as consequence of water/binder increase, that turns the porous structure more susceptible to deformations, and the increase of the capillary tensions, attributed to the increase of free water to be evaporated. The increase of autogenous shrinkage with water/binder ratio is attributed to the increase of pore volume with diameter in the mesopores range, besides the decrease of the mechanical strength. The shrinkage reducing admixture (SRA) diminish drying shrinkage of 40% up to 74% at 28 days, however, this type of admixture was not capable to combat the autogenous shrinkage. About mechanical strength, the SRA admixture incurs in a decrease up to 40% of compression strength that it was attributed to the decrease of the hydration degree and retard of pore size refinement. The shrinkage compensating admixture (SCA) softened drying and autogenous shrinkage, reducing in up to 64% and 70%, respectively. However, the SCA admixture decreases in up to 60% mechanical strength of alkali activated slag. About microstructure, SCA admixture reduced the hydration degree and it increased the total porosity, with the increase of macropores volume.