A escória de aciaria possui uma limitação quanto ao seu reaproveitamento. Este problema é devido à presença, em seu arranjo, de compostos expansivos que a tornam instável quando sujeita as ações do ambiente, pelas reações de hidratação, decomposição, oxidação e transformação estrutural.
A hidratação dos óxidos CaO e MgO livres é a causa principal da expansão da escória, sendo as reações deste processo representadas pelas seguintes equações:
CaO+ H2O →Ca(OH)2 (2.1) MgO+ H2O→ Mg(OH)2 (2.2) CaO+ CO2+ H2→CaH2CO3 (2.3) A cal livre, quando hidratada, forma Ca(OH)2 e, o MgO, forma Mg(OH)2 como nas Equações 2.1 e 2.2.
Além dessas hidratações, há a reação de carbonatação da Equação 2.3, e ainda em menor escala, a corrosão de FeO, que também são prejudiciais por contribuir com o comportamento expansivo da escória (CASTELO BRANCO, 2004).
Os principais mecanismos que controlam a expansão ou estabilização da escória de aciaria são destacados por Machado (2000) conforme a Tabela 2.5.
Tabela 2.5: Parâmetros que influenciam na expansão da escória de aciaria (Adaptada de MACHADO, 2000).
Espécies Químicas Parâmetros que influenciam na expansão Mecanismo
CaO e MgO
Teor da espécie no estado livre; Umidade;
Temperatura; Teor de CO2;
Tamanho dos grãos de escória.
Hidratação
Fe0
Teor de Fe0;
Umidade;
Tempo de exposição ao ar; Teor de oxigênio no resfriamento;
Tamanho dos grãos de escória.
Oxidação
C2S
Velocidade de resfriamento; Impurezas iônicas; Temperatura de resfriamento;
Basicidade das escórias.
Transformação alotrópica
A literatura indica uma relação direta entre a presença de CaOlivre e a expansibilidade da escória de aciaria. Existem os seguintes tipos de CaO nas escórias: a forma livre e a combinada. A forma livre pode estar ainda subdividida em residual ou precipitada, sendo a residual mais esponjosa e expressiva em termos de dilatação volumétrica (FERNANDES, 2010).
O excesso de CaOlivre, especialmente na presença de solução contendo pequenas quantidades de FeO ou wustita é a principal causa do aumento de volume das escórias (MONTGOMERY e WANG, 1991).
Outra relação envolvendo a cal livre é citada por Gupta et al (1994), onde estudos mostram que o teor de CaOlivre é diferente para amostras coletadas em uma mesma pilha, e cresce com a profundidade da coleta, mas mesmo nas escórias envelhecidas ao intemperismo, o teor de CaOlivre pode não reduzir. Isso se explica, pois parte do CaOlivre pode estar enclausurado pelos silicatos insolúveis ou nos poros internos das escórias, ficando portanto, protegidos do contato da água ou do CO2.
Quanto à expansão devido ao óxido de magnésio, este composto pode ocasionar problemas de expansão quando sob a forma de periclásio, que é mais rara.
As Inequações 2.4 e 2.5 descrevem a estabilidade do óxido de magnésio, segundo Montgomery e Wang (1991).
MgO estável → [MgO / (FeO + MnO)] < 1 (2.4)
MgO instável → [MgO / (FeO + MnO)] > 1 (2.5)
Estas inequações são baseadas na premissa de que o MgO pode formar soluções sólidas com FeO e MnO. Para a maioria das escórias esta relação é menor que 1, apresentando o MgO sob forma estável (PINTO JR., 2012).
As escórias podem sofrer influência também da oxidação e corrosão do alto teor de ferro metálico que fica retido no sopro ou no vazamento do aço líquido. Ou seja, pequenas partículas metálicas são incorporadas durante o sopro de oxigênio ou mesmo durante o vazamento e permanecem presentes na composição da escória de aciaria LD, mesmo após todo o processo de separação magnética que ocorre nos pátios de beneficiamento das siderúrgicas (FERNANDES, 2010).
Ainda, quanto ao aumento volumétrico devido à transformação alotrópica do silicato dicálcico, o silicato tricálcico, C3S, aparece especialmente em escórias de alta basicidade durante os primeiros estágios de resfriamento, mas irá se decompor em uma temperatura próxima de 1200°C.
A estrutura da alita torna-se termodinamicamente instável e se decomporá em 1200°C para silicato dicálcico e cal. Esta transformação depende da taxa de resfriamento da escória e pode ser extinta se esta taxa for alta (GUMIERE, 2000).
Seja por hidratação, carbonatação ou oxidação, irá ocorrer um significativo aumento de volume em relação às dimensões originais dos cristais que compõem a escória e este fenômeno conduzirá à expansão destrutiva da mesma, gerando muitos finos.
A cal livre é a principal responsável pela expansibilidade nas escórias de aciaria e em quantidade pode levar a uma ampliação de aproximadamente 50 % do seu volume inicial, com apenas um teor de 7 % de CaOlivre. Esse teor deve ser limitado como critério de classificação e aplicação das escórias e para garantir maior durabilidade dos pavimentos deve ser menor 3 % de acordo com as normas rodoviárias PRO 263 (DNIT, 1994), EM 262 (DNIT, 1994) e AREMA. Para alcançar esse resultado as escórias devem ser expostas a ação das intempéries para estabilizar-se num período mínimo de 3 meses.
São muitos os métodos de avaliação da expansibilidade das escórias de aciaria LD e as metodologias variam de acordo com as normas de cada país.
No que se refere à quantificação do teor de CaOlivre, há uma preferência científica pela técnica de extração por meio de etilenoglicol, que é mais utilizada, por ser simples e eficiente.
A norma brasileira NBR NM 13 (ABNT, 2012) trata do teor de CaOlivre em cimentos por meio do etilenoglicol e contém o procedimento para essa determinação, mas esta metodologia não dissocia, a partir de um período de aproximadamente 30 dias, o Ca(OH)2 do CaOlivre total, avaliando essas duas formas somadas (SOUZA, 2007). A quantificação separada do Ca(OH)2 pode ser feita por difração de raios-X se estiver totalmente na forma cristalina, ou a mais indicada termogravimetria, que fornece o comportamento dos materiais frente ao aquecimento, tendo como principais parâmetros analíticos a faixa de temperatura na qual a amostra estudada obtém uma composição química constante, a temperatura onde se inicia seu processo de decomposição e o acompanhamento das reações de desidratação, oxidação e combustão (SILVA, 2013).