COMPÓSITOS LEVES DE GESSO E RESÍDUO DE SBR, PARA USO EM CONSTRUÇÕES SUSTENTÁVEIS

Carolina Pereira Dantas1, Pedro Dantas Nunes Bezerra2, Clívia Dantas Nunes Bezerra3 Antônio Farias Leal4, Wellerson da Silva Cruz5, Mayara Kelly Fernandes Ribeiro6

1Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande PB, Brasil

carolinapdantas@yahoo.com.br

2Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande PB, Brasil

pedro.dantas@estudante.ufcg.edu.br

3Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande PB, Brasil

clivia.dantas@estudante.ufcg.edu.br

. 4Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa PB, Brasil

antoniofleal@gmail.com

5Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande PB, Brasil

silvawellerson.02@gmail.com

6Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande PB, Brasil

mayarakellyfernandes@gmail.com

RESUMO

A prática do desenvolvimento sustentável é uma realidade presente em vários segmentos da sociedade. Considerando isto, as construções devem ser ecologicamente corretas, socialmente justas, culturalmente aceitas e economicamente viáveis. Buscando a sustentabilidade, o uso de materiais de construção não convencionais é cada vez maior, principalmente para obras de interesse social. O presente trabalho teve como objetivo, desenvolver compósitos leves a partir de resíduos industriais do setor calçadista local, visando à elaboração de elementos construtivos para proteção térmica de alvenarias. Foram avaliados teores de incorporação de resíduos da indústria calçadista em matrizes de gesso, através da observação de propriedades físico-mecânicas. Foram testados três quantidades desse resíduo. Analisou-se também a pressão de moldagem adequada para esses compósitos. Nos traços otimizados foi verificada a condutividade térmica. Notou-se que os compósitos estudados puderam ser considerados leves, possuindo capacidade de isolar termicamente, com propriedades físico-mecânicas e condutividade térmica semelhantes à de elementos construtivos validados, existentes no mercado. Além do enfoque econômico e social, este estudo teve uma importância eco sustentável significativa, uma vez que procurou viabilizar a utilização de resíduos industriais e ainda contribuir para o desenvolvimento de elementos construtivos que primam pela eficiência energética das construções rurais.

Palavras-chave: compósitos, isolamento térmico, elementos construtivos, construções rurais.

1 INTRODUÇÃO

 Materiais sintéticos como o copolímero Estireno Butadieno Rubber, conhecido como borracha de base SBR, é amplamente utilizado nos processos de fabricação de calçados. As sobras desse material, após passagem por autoclaves, retornam ao processo produtivo na forma de matéria-prima, porém boa parte, não utilizável, serve de combustível em fornos industriais [3]

 Ao ser feita a queima da borracha, enormes quantidades de material particulado e de gases tóxicos são geradas, prejudicando o meio ambiente [4]

SILVA[10] caracterizou o resíduo a base de SBR, proveniente de uma indústria calçadista de Campina Grande, chegando à conclusão que esse resíduo pertence à CLASSE I – PERIGOSO, por apresentar em seu extrato lixiviado, metais pesados com valores acima do estabelecido em norma. Considerou que, sendo revestido com uma camada de pasta de cimento, tem o potencial de se manter isolado, viabilizando seu uso em aplicações em construções rurais e urbanas.

 KARMIECZAK et al[4] estudaram o comportamento mecânico de compósitos à base de gesso com adição de resíduos de contraforte de calçados. Variaram o teor de adição desse resíduo de 10% a 25%, mantendo-se constante a relação água/gesso de 0,57. Comprovaram a maior ductilidade dos compósitos com resíduos, em comparação à matriz sem a adição desses resíduos.

 OLIVEIRA[6] considerando ser o gesso é um dos materiais de construção mais antigos que se tem conhecimento, utilizando-se de algumas de suas propriedades que lhe conferem vantagens como, resistência ao fogo, isolamento térmico e acústico, além do fato de ser um ligante menos agressivo ao ambiente que o cimento, investigou seu uso como matriz base, para produção de compósitos, incorporando vermiculita ou resíduos da indústria de calçados (EVA). Estudou propriedades físico-mecânicas e térmicas de compósitos à base de gesso com a incorporação de vermiculita e de resíduos da indústria de calçados (EVA). Variou o teor de adição de resíduos de 0% a 25% em massa. Usou a relação de água material cimentício de 0,7; 0,8 e 0,9 quando incorporou EVA e 0,8; 0,9 e 1,0 ao usar a vermiculita. Com o propósito do desenvolvimento de elementos de revestimento para proteção térmica de alvenarias, comprovou que, o aumento da relação água/gesso diminuiu a consistência e ampliou os tempos de início e fim de pega do compósito, enquanto que, o aumento do teor de adição de EVA diminuiu o tempo de início e fim de pega e aumentou a consistência desse [5];[7];[8]

 Macedo avaliou forro de gesso modificado com EVA, verificando um incremento como material para isolamento térmico (redução de até 1,8 ºC), quando comparado ao forro de gesso comum.

 Santos [12]bservou em um compósito, que a substituição do gesso por vermiculita reduziu as propriedades mecânicas, entretanto, a vermiculita atuou como isolante térmico, sendo o melhor resultado obtido com 25% de substituição.

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2 METODOLOGIA

 Este estudo foi realizado no Laboratório de Materiais Recicláveis, da Área de Construções Rurais e Ambiência, do Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Campina Grande, no Brasil.

 Para produção dos compósitos, foi utilizado gesso como aglomerante e resíduo á base de SBR, proveniente de uma indústria calçadista da cidade de Campina Grande – PB. O aglomerante, proveniente do polo gesseiro do Araripe, em Pernambuco, continha sulfato de cálcio, resinas e aditivos orgânicos. A distribuidora recomendou o uso de 600 ml de água para 1 Kg desse gesso (fator água\gesso de 0,6), conseguindo-se assim um tempo de trabalhabilidade de 50 a 65 minutos. Foi utilizado fator água\gesso de 0,4, visando à aplicação de pressão de moldagem.

O trabalho foi dividido em duas partes, como se segue:

1ª parte - Avaliação da influência do teor de incorporação do agregado leve e da pressão de moldagem, para confecção dos compósitos.

Foram testados três teores de incorporação do agregado leve (25%, 50% e 100%) considerando-se a quantidade de aglomerante.

Para avaliar a pressão de moldagem adequada, foram considerados quatro níveis:

• Nível zero (N0) – Sem pressão (0 MPa);

• Nível um (N1) – 1,6 Kgf/cm2 (0,16 MPa);

• Nível dois (N2) – 4 Kgf/cm2 (0,4 MPa) e

• Nível três (N3) – 8 Kgf/cm2 (0,8 MPa)

Foram realizados ensaios de resistência à compressão simples e à flexão, a capacidade de absorção e a densidade aparente, além de análises visuais.

Os ensaios de resistência à compressão simples foram realizados no equipamento SHIMADZU AUTOGRAPH AG IS 100KN e os de resistência à flexão na prensa eletrônica SHIMADZU AUTOGRAPH AG-X 50KN, seguindo-se as normas da ABNT.

Para se determinar a capacidade de absorção, foi utilizada uma adaptação da norma NBR 9778 (2005), segundo SILVA [10].

Para uso como agregado leve, o resíduo à base de SBR foi triturado, sendo identificado por número, cada tamanho de partícula (Tabela 1)

Tabela 1. Denominação da granulometria do resíduo de SBR

Dessa forma, fixando-se em 0,4 o teor de água em relação ao aglomerante (a/agl), moldaram-se corpos de prova com resíduos de SBR de granulometria composta equitativamente por partículas de tamanho 3, 4 e 5, variando-se o nível de pressão aplicada (N0, N1, N2 ou N3) e o traço (1:1, 1:0,5 e 1:0,25). Na figura 1 estão ilustrados alguns corpos de prova.

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(a)  ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​ ​​​​ (b)

Figura 1: Corpos de prova moldados com matriz de gesso e resíduos de SBR com granulometria 345: (a) durante a cura  ​​​​ (b) após ensaio de resistência à flexão.

2ª parte - Determinação da condutividade térmica nos traços otimizados

Pensando-se em elementos construtivos para proteção térmica de alvenarias, determinou-se a condutividade térmica dos compósitos avaliados, utilizando-se o equipamento Condutivímetro K30, no LABEME – UFPB (Figura 2), que se baseia no método da placa quente protegida.

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Figura 2. Condutivímetro K 30

Os resultados foram comparados entre si e também com propriedades de isolantes térmicos validados, existentes no mercado.

As propriedades físico-mecânicas dos compósitos estudados foram avaliadas através da adaptação dos cálculos dos Fatores de Eficiência, segundo ROSSIGNOLO[9]

 ROSSIGNOLO[9] define como parâmetro fundamental para avaliação de concretos leves, o fator de eficiência, que leva em consideração a massa específica seca e a resistência à compressão simples do material, expresso matematicamente pela equação abaixo (eq. 1):

onde:

fc - resistência a compressão, MPa;

λ – massa específica seca do concreto, kg dm-3 (g cm-3)

Adaptando-se cálculos, foram determinados esses fatores para as outras propriedades dos compósitos. Foi feita análise estatística.

Visando-se a elaboração de compósitos leves, destinados principalmente para proteção térmica de alvenarias, são necessários valores baixos de algumas propriedades e de respectivos fatores de eficiência, como: capacidade de absorção, índice de vazios e densidade. Dessa forma, para esse trabalho, esses parâmetros foram denominados de Fator de Absorção, Fator de Índice de Vazios e Fator de Densidade.

3 DESENVOLVIMENTO E DISCUSSÃO

 Os resultados (valores médios) observados das propriedades físico-mecânicas dos compósitos gesso:SBR encontram-se na Tabela 2.

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Avaliando-se as propriedades dos traços moldados com gesso, em relação à resistência à compressão simples, notou-se que, quanto menor o teor de resíduos, maior essa resistência (Figura 3).

Ao se moldar usando o traço 1:1, alcançou-se 0,71 MPa de resistência à compressão1Diminuindo-se o teor de resíduos em 50% (1:0,5), a resistência à compressão aumentou 84% (1,31 MPa), e, quando essa redução do teor de resíduos foi 75% (1:0,25), o aumento da resistência passou a ser 280% (2,7 MPa). O resultado da resistência à compressão desse compósito no traço 1:0,25:0,4 foi semelhante ao encontrado por OLIVEIRA[6], trabalhando com gesso e EVA no traço 1:0,25:0,7 ou 1:0,20:0,8 ou 1:0,1:0,9. Outros pesquisadores[2][10] encontraram valores semelhantes, trabalhando com cimento e resíduos de EVA ou SBR.

Figura 3: Resistência à Compressão simples da matriz de gesso com incorporação de resíduo de SBR, na granulometria 345.

Utilizando-se os quatro níveis de pressão de moldagem, observou-se que o teor de resíduos teve grande influência na resistência à flexão dos compósitos, pois quanto menor essa quantidade, maior a resistência à flexão. Avaliando-se a influência do nível de pressão de moldagem, os melhores resultados foram atingidos pelo nível N1. Para o traço 1:1 o aumento do nível de pressão não influenciou na resistência à flexão. Apresentando grande dificuldade na moldagem, o traço 1:1 mostrou-se bastante frágil, não atingindo resistências à flexão significativas. Outros ensaios não foram possíveis com esse traço. Com o traço 1:0,25; moldando-se sem pressão (N0), conseguiu-se uma resistência à flexão de 2,09 MPa, superior ao encontrado por OLIVEIRA[6], trabalhando com o mesmo traço, de gesso e EVA e relação água\gesso de 0,7 (1,7MPa). OLIVEIRA[6]conseguiu alcançar a resistência à flexão de 2 MPa, com traços 1:0,15:0,7 ou 1:0,10:0,8; e de 1,8 MPa, utilizando o traço 1:0,05:0,9; em compósitos formados por gesso e EVA.

A densidade aparente do compósito de matriz de gesso e resíduo de SBR diminui com o aumento do teor de resíduos de SBR. As pressões de moldagem mais altas provocaram um aumento na densidade do compósito.

Considerando as recomendações para concretos leves, em relação à massa específica seca dos compósitos de gesso e SBR estudados, todos puderam ser considerados leves, independentemente dos teores de resíduo e níveis de pressão de moldagem adotados. Para o traço 1:0,25:0,4 moldado sem pressão (N0), a massa específica seca foi de 1030 kg\m3. OLIVEIRA[6]encontrou o valor de massa específica de 968 Kg\m3 no traço 1:0,25:0,7 de gesso e EVA e 1031 Kg\m3 no traço 1:0,05:0,7.

Quanto à capacidade de absorção, foi possível observar que a alteração do teor de resíduos, assim como o aumento do nível de pressão de moldagem, influenciou pouco nesses compósitos. Os corpos de prova moldados sem pressão apresentaram maiores capacidade de absorção.

Ao se usar o gesso como aglomerante, levando-se em conta a capacidade de absorção, os menores resultados também foram alcançados nos compósitos moldados com nível de pressão N1. Novamente, ao serem utilizados os níveis de pressão de moldagem N2 e N3, devido à expulsão de água com aglomerante do interior dos compósitos (indicada por cruzes na Tabela 2), resultaram numa maior quantidade de vazios, e, consequentemente maior capacidade de absorção. A figura 4 ilustra a relação entre essas propriedades.

Dessa forma, ao ser aumentada a pressão de moldagem de N1 para N3, aumentou-se também o índice de vazios nos compósitos. Quando moldados sem pressão (N0), apresentaram maior capacidade de absorção e de índice de vazios.

 Os corpos de prova moldados com nível de pressão N1 apresentaram também maior uniformidade (menores valores de desvio padrão).

A Figura 5 ilustra as características das propriedades observadas no compósito gesso:resíduos de SBR:

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.Os resultados obtidos com os cálculos adaptados do Fator Eficiência (Fef) segundo ROSSIGNOLO[9] das propriedades, complementam o que foi observado (Tabela 3). Para a densidade aparente e para absorção esse fator foi denominado de “Fator de Densidade” e “Fator de Absorção”:

Através dos resultados, nota-se que o nível de pressão N1 tornou os compósitos mais eficientes.

A figura 5 ilustra o comportamento dos fatores eficiência das propriedades dos compósitos de gesso e resíduos de SBR

 Comprova-se com a figura 5 que o aumento do nível de pressão de moldagem, a partir de N1, não influenciou significativamente a resistência à flexão e a absorção dos compósitos.

 Através de uma análise visual com fotografias em microscópio ótico, observou-se as características de forma das partículas do resíduo, da interface entre o SBR e o gesso, além dos vazios no interior das peças (Figuras 9, 10 e 11).

 Nas fotografias que representam o traço 1:1:0,4, notou-se a fragilidade e a existência de muitos vazios, justificando os resultados obtidos nos ensaios para avaliação de propriedades físicas e mecânicas desse traço.

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​​ (a)

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(b)

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(c)

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(d)

Figura 6: Matriz de gesso com incorporação de resíduo de SBR, na granulometria 345. Traço 1:1:0,4 ​​ (a) Pressão de moldagem N0, (b) Pressão de moldagem N1, (c) Pressão de moldagem N2, (d) Pressão de moldagem N3.

. Nas imagens do traço 1:0,5:0,4, moldado com pressões de níveis N1 e N2, notou-se uma melhor acomodação das partículas do agregado. Ao ser usado o nível N3, essas partículas apresentaram-se mais próximas, com formato levemente achatado e pouca aderência ao aglomerante. É visível a existência de uma maior quantidade de vazios nos compósitos moldados sem pressão. As observações feitas nessas imagens justificam as características de suas propriedades físicas e mecânicas avaliadas.

 Através das imagens do traço 1:0,25:0,4, em relação às partículas do resíduo, notou-se um comportamento semelhante em todos os traços moldados. Comparando-se o moldado sem pressão, com os moldados com níveis de pressão N2 e N3, observou-se uma diferença na aparência do gesso. Com esses dois últimos, a considerável expulsão de água com aglomerante do compósito, tornou essa matriz visivelmente mais frágil. Essas observações justificam as propriedades físicas e mecânicas avaliadas.

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(a)

 ​​​​ 

(b)

 ​​​​ ​​ 

(c)

​​  ​​​​ 

(d)

Figura 8: Matriz de gesso com incorporação de resíduo de SBR, na granulometria 345. Traço 1:0,25:0,4 ​​ (a) Pressão de moldagem N0, (b) Pressão de moldagem N1, (c) Pressão de moldagem N2, (d) Pressão de moldagem N3.

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Com efeito comparativo, foram avaliadas a resistência à flexão, a tenacidade, a capacidade de absorção e a densidade, da pasta de gesso com fator água\aglomerante de 0,4, também moldadas com pressão de nível N1. Para calcular a capacidade de absorção foi utilizado o mesmo procedimento realizado nos compósitos de gesso:SBR, adaptando-se a norma NBR 9778, de acordo com SILVA[10] Os resultados estão apresentados na Tabela 4.

Por ter sido considerada, com efeito comparativo, a 11ª pesagem das pastas, nos ensaios de absorção, adaptando-se a norma NBR 9778 conforme SILVA[10], a matriz também apresentou altos valores de capacidade de absorção.

OLIVEIRA[6]verificou resistência à flexão de 3,8 MPa, em pastas de gesso com teor água\gesso de 0,7; de 3,1 MPa quando utilizou água\gesso de 0,8 e de 2,4 MPa com água gesso de 0,9. A referida pesquisadora não utilizou pressão de moldagem.

A Figura 9 ilustra o comportamento dessas propriedades, nas matrizes e compósitos observados.

Foram calculados os fatores de eficiência da resistência à flexão e da tenacidade, e, ainda os fatores de absorção e de densidade aparente, segundo ROSSIGNOLO [9]​​ Comparou-se os resultados (Tabela 5):

 Os resultados dos fatores confirmaram o que foi observado. A incorporação de resíduos de SBR incrementou a eficiência da matriz de gesso em relação à tenacidade, à densidade aparente e à capacidade de absorção.

 Em uma segunda etapa, foi analisada a condutividade térmica dos compósitos com traços otimizados, moldados com pressão de moldagem de nível N1, dos traços: 1:0,5:0,4 e 1:0,25:0,4 de gesso: resíduos de SBR. Para comparação, também foi medida

a condutividade térmica dos mesmos traços, moldados sem pressão (N0). A Tabela 9 apresenta os valores encontrados:

Embora estatisticamente iguais, os compósitos com maiores teores de resíduos apresentaram menores valores absolutos de condutividade térmica. Quando moldados sem pressão, o valor dessa propriedade também foi menor.

De acordo com a bibliografia, os valores de condutividade térmica, em W/m°C, dos compósitos estudados, foram semelhantes ao de placas de concreto leve com vermiculita (0,19), aos de gesso com vermiculita (0,25 a 0,30), aos de painéis de madeira (0,05 a 0,24), aos de borrachas sintéticas (0,20 a 0,46), entre outros. Foram ainda, menores que a condutividade térmica de placas de gesso com ou sem fibras minerais (0,35) e de gesso celular (0,50).

OLIVEIRA[6] encontrou valores de condutividade térmica de 0,22 W/m°C para placas de gesso puro; 0,30 W/m°C para gesso com vermiculita e 0,27 W/m°C para compósitos de gesso e EVA.

A condutividade térmica de um material é muito sensível a sua microestrutura, sendo influenciada por fatores como: tamanho médio do grão; dimensão, forma e distribuição dos poros; minerais de composição e grau de cristalinidade; justificando assim, a variação dessa propriedade, para o mesmo tipo de material, independentemente de sua massa específica ou densidade aparente.

A Figura 10 ilustra os resultados dessa propriedade, considerando a densidade aparente dos compósitos:

 O incremento na condutividade térmica do compósito, após aplicação da pressão de nível N1, foi atribuído à mudança na estrutura e ao aumento da densidade no compósito.

Na Tabela 10 estão representados os valores desses incrementos.

Considerando-se a adaptação dos cálculos de Fator de Eficiência segundo ROSSIGNOLLO [9]​​ visando-se o desenvolvimento de elementos construtivos para serem usados como isolamento térmico, almejam-se baixos valores de condutividades térmicas e, assim, de seus respectivos Fatores de Eficiência. Nesse trabalho, como com a Absorção, a Densidade e o Índice de Vazios, para a condutividade térmica, o Fator proposto por ROSSIGNOLLO [9]foi denominado Fator de condutividade térmica.

Para os compósitos avaliados, os Fatores de condutividade térmica estão apresentados na Tabela 11.

Os compósitos mais eficientes, no que diz respeito a condutividade térmica, foram os de traços 1:0,5:0,4 gesso:SBR com pressão de nível N1.

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4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Nos compósitos com resíduos de SBR, quanto menor o teor de incorporação desse resíduo, maior a resistência à compressão, à flexão e a densidade aparente, e, menor a capacidade de absorção. Os compósitos com maiores teores de incorporação de resíduos, moldados sem pressão, não apresentaram resultados favoráveis de resistência à flexão e capacidade de absorção, de acordo com os propósitos do trabalho.

Ao ser aplicada pressão na moldagem de 0,16 MPa, ocorreu um aumento na resistência à flexão e na densidade dos compósitos com resíduos de SBR, ao mesmo tempo em que foi diminuída a capacidade de absorção e o índice de vazios. Essa pressão de moldagem foi suficiente para proporcionar incrementos apropriados. Todos os compósitos puderam ser considerados leves, de acordo com as recomendações observadas.

Pressões de moldagem maiores que 0,16 MPa (0,4 e 0,8 MPa), provocaram expulsão de água com aglomerante do interior dos compósitos com SBR, causando desorganização na estrutura interna desses, proporcionando propriedades de qualidades inferiores aos moldados com a menor pressão.

Ao ser avaliada a condutividade térmica, foi verificado que, quanto maior o teor de resíduos de SBR, menor o valor da condutividade térmica. A aplicação de pressão de moldagem, de 0,16 MPa, elevou os valores dessa propriedade, mantendo-os baixos, semelhantes aos dos materiais utilizados como isolamentos térmicos, existentes no mercado.

Ao ser utilizado gesso como aglomerante, os traços adequados foram 1:0,5:0,4 e 1:0,25:0,4. Os compósitos citados, moldados com pressão de 0,16 MPa, têm atributos suficientes para fazerem parte de estruturas leves e elementos construtivos, com fins de isolamento térmico.

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5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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• RIOS, F. R. A. “Incorporação de resíduos de calçados (SBR) na produção de compósitos leves”. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Campina Grande. Campina Grande, 2008. 71p

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• MACEDO, JEFFERSON THIAGO, Avaliação do desempenho térmico de forros produzidos com adição de resíduo EVA – Universidade Federal da Paraíba, 2020

• SANTOS, FERNANDA MARIA VIEIRA dos et al, Avaliação da substituição de gesso por vermiculita nas propriedades mecânicas e térmicas de argamassa para revestimento Revista Científica multidisciplinar – RECIMA – ISSN 2675 6218, v.4 n.5, 2023.