UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

98 

Full text

(1)

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR

Rubia Raquel Luvizão

ESTUDO DA VIABILIDADE PARA REAPROVEITAMENTO DO RESÍDUO DE AREIA VERDE DE FUNDIÇÃO INTEMPERIZADO EM CONCRETO

ASFÁLTICO USINADO A QUENTE

Apresentada em 01 / 07 / 2008 Perante a Banca Examinadora:

Dr. Sivaldo Leite Correia - Presidente (UDESC) Dr. Glicério Trichês (UFSC)

Dra. Marilena Valadares Folgueras (UDESC)

(2)

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA

E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Mestranda: RUBIA RAQUEL LUVIZÃO – Engenheira Civil Orientador: Prof. Dr. SIVALDO LEITE CORREIA

Co-Orientadora: Profa. Dra. MARILENA VALADARES FOLGUERAS

CCT/UDESC – JOINVILLE

ESTUDO DA VIABILIDADE PARA REAPROVEITAMENTO DO RESÍDUO DE AREIA VERDE DE FUNDIÇÃO INTEMPERIZADO EM CONCRETO

ASFÁLTICO USINADO A QUENTE

DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA

OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA

CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS

TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. SIVALDO LEITE CORREIA E CO-ORIENTADA PELA PROF. DRA. MARILENA VALADARES FOLGUERAS.

(3)

NOME: LUVIZÃO, Rubia Raquel DATA DEFESA: 01/07/2008 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC

NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 95 – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Cerâmica

TÍTULO: Estudo da Viabilidade Para o Reaproveitamento do Resíduo de Areia Verde de Fundição em Concreto Asfáltico Usinado a Quente.

PALAVRAS - CHAVE: Areia Verde de Fundição, Concreto Asfáltico, Caracterização. NÚMERO DE PÁGINAS: 98p.

CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: 4100201001P-9

ORIENTADOR: Dr. Sivaldo Leite Correia

CO-ORIENTADORA: Dra. Marilena Valadares Folgueras PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Sivaldo Leite Correia

(4)

Aos meus pais Ivanir e Inédia que

sempre acreditaram que o estudo é a forma

(5)

À Deus pela sua presença em minha vida. Que sempre ajude a manter dentro de mim a força da fé, perseverança, tolerância, caridade e amor.

Ao Professor Dr. Sivaldo Leite Correia, que como orientador, ofereceu todas as condições necessárias para realização deste trabalho.

À Professora Dra. Marilena Valadares Folgueras, por ter sido mais que uma co-orientadora, foi uma grande amiga em todos os momentos de dificuldades ao longo do mestrado.

À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC – e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PGCEM – pela realização deste trabalho.

Ao Centro de Ciências Tecnológicas – CCT - e ao Departamento de Engenharia Mecânica, pela infra-estrutura oferecida.

À CAPES e ao PROMOP pela bolsa de estudo cedida ao longo dos dois anos de pesquisa.

À Ipiranga Asfaltos, pelo material fornecido e pela realização dos ensaios de caracterização de ligantes asfálticos. Em especial ao Engenheiro Humberto e aos Químicos Marcos e Emerson.

À Vogelsanger Pavimentações na pessoa do Engenheiro Lenin, por permitir o uso dos laboratórios para moldagem dos corpos-de-prova. Agradeço também ao Sr. Mário Alves, pela atenção e empenho nesta etapa.

À Natrium Química, na pessoa do Químico César, pelas análises ambientais. À Fundição que fez a doação do resíduo e também pelas análises concedidas.

À Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC – na pessoa do Prof. Glicério Trichês por disponibilizar a estrutura para realização dos ensaios mecânicos. Agradeço também ao graduando e bolsista Felipe pelo apoio e dedicação.

Ao Professor Wilson Guesser, por sua disponibilidade em ajudar nos momentos de dificuldades.

À amiga Raquel Pereira Carnin, pelo exemplo de determinação e incentivo, e também ao Professor Jorge Cunha – UFPR.

(6)

Às minhas irmãs Evandra e Lissandra, pelo apoio e incentivo diário. Aos sobrinhos Carlos Henrique, Gabriel e Juan Pablo, que pelo simples fato de existirem nos fazem ter forças para lutar em qualquer situação.

Às amigas do mestrado Eliane Spíndola, Jaqueline Suave e Fabiana Fiamoncini, pelos momentos felizes que me proporcionaram ao longo deste caminho.

Aos meus grandes amigos, que não estiveram diretamente envolvidos neste trabalho, mas, pela simples presença, fizeram esta etapa ser tão gratificante. Pessoas estas que renovam as energias e nos ajudam a ter força para seguir em frente. Priscilla Klahold, Vanessa Redante, Petula Pressoto, Eduardo Bronks, Gladson Maranho, Nestor Jr., Priscila Bendo, Débora, Sílvia Ronsom, Simone Dalla Costa, Téo Albrecht, Mariana Marshal, Daiane Pezarico, Lígia Fraga, Laura Quadros e Miria.

A todos os bolsistas do laboratório de materiais e a equipe da pós-gradução, em especial ao Prof. Cesar Edil da Costa e Prof. Masahiro Tomiyama, às amigas Janaína e Eugênia.

(7)

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO

1. A indústria da fundição e a geração de resíduos... 11

2. Objetivos... 13

2.1 Objetivo Geral... 13

2.2 Objetivos Específicos... 13

3. Estrutura do Trabalho... 13

CAPÍTULO 2 – INTRODUÇÃO TEÓRICA 1. AREIA DE FUNDIÇÃO... 15

1.1 Areia verde de fundição... 15

1.2 Areia ligada quimicamente... 17

1.3 Geração do resíduo de areia verde de fundição... 18

1.3.1 Regeneração da areia de fundição... 19

1.4 Passivo ambiental... 20

1.4.1 Disposição em aterros... 20

1.4.2 Minimização da geração de resíduos... 22

1.4.3 Reciclagem externa... 22

1.5 Ensaio de lixiviação para resíduos sólidos... 23

1.6 Ensaio de solubilização para resíduos sólidos... 24

2. PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA... 25

2.1 Revestimento asfáltico - CAUQ... 27

2.2 Ligante – Cimento asfáltico de petróleo (CAP)... 29

2.2.1 Envelhecimento do ligante asfáltico... 32

2.3 Agregados – Propriedades e características Tecnológicas... 33

2.4 Dosagem das misturas asfálticas – Método Marshall... 38

2.5 Propriedades mecânicas das misturas asfálticas... 41

2.5.1 Módulo de resiliência... 42

2.5.2 Resistência à tração estática... 44

2.5.3 Dano por umidade induzida – Ensaio Lottman... 46

3. TRABALHOS REALIZADOS COM RESÍDUO DE AREIA VERDE DE FUNDIÇÃO 3.1 Caracterização Ambiental... 47

(8)

3.3 Gerenciamento do resíduo areia de fundição – CETESB... 55

CAPÍTULO 3 – MATERIAIS E MÉTODOS 1. MATERIAIS... 56

1.1 Resíduo de areia verde de fundição intemperizado – RAVF 2... 56

1.2 Agregado... 57

1.3 Cimento asfáltico de petróleo – CAP... 57

2. MÉTODOS... 57

2.1 Caracterização das matérias-primas... 58

2.1.1 Caracterização dos agregados... 59

2.1.2 Caracterização ambiental... 59

2.1.3 Caracterização físico-química... 60

2.1.4 Caracterização do CAP 50/70... 62

2.2 Dosagem Marshall... 65

2.3 Moldagem dos corpos-de-prova... 67

2.4 Ensaios Mecânicos... 68

2.4.1 Módulo de resiliência... 69

2.4.2 Resistência à tração estática... 69

2.4.3 Dano por umidade induzida... 70

CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO 1. Caracterização das matérias-primas... 72

1.1 Caracterização dos agregados... 72

1.2 Caracterização ambiental... 74

1.3 Caracterização físico-química... 76

1.4 Caracterização do CAP 50/70... 82

2. Dosagem Marshall... 83

3. Ensaios Mecânicos... 87

3.1 Módulo de Resiliência... 87

3.2 Resistência à tração estática... 88

3.3 Dano por umidade induzida... 90

CONCLUSÃO... 92

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 94

(9)

O resíduo de areia verde de fundição, objeto de estudo deste trabalho, foi fornecido por uma fundição localizada no município de Joinville-SC, região sul do Brasil. De acordo com as normas brasileiras, o resíduo de areia verde de fundição é classificado como não inerte devido a presença de alguns elementos considerados tóxicos e, por este motivo, sua disposição final tem sido feita em aterros controlados. Este trabalho teve por objetivo a caracterização do resíduo de areia verde de fundição intemperizado e sua incorporação no concreto asfáltico usinado a quente. O resíduo foi caracterizado através da microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X, fluorescência de raios X, análise térmica e pH. Além disso, foram realizados os ensaios ambientais de solubilização, lixiviação e lixiviação neutra. Os agregados foram caracterizados quanto ao tamanho das partículas através da análise granulométrica e com o resíduo de areia verde de fundição foi realizado o ensaio de equivalente de areia. O ligante asfáltico foi caracterizado através dos ensaios de penetração, ponto de amolecimento, viscosidade e índice de suscetibilidade térmica. A determinação do teor ótimo de ligante foi obtido através do Método Marshall. Foram avaliadas as propriedades mecânicas de módulo de resiliência, tração estática e dano por umidade induzida. Os resultados obtidos com os ensaios ambientais de solubilização e lixiviação, microscopia eletrônica de varredura, fluorescência de raios X e pH apresentaram redução nos teores de alumínio, ferro, sódio e sulfato, devido a redução no teor de material argiloso aderido a superfície dos grãos de areia. O resultado do ensaio de módulo de resiliência (cerca de 5400 MPa) e tração estática (cerca de 1,20MPa) mostram que a incorporação do resíduo não afetou significativamente as propriedades mecânicas do concreto asfáltico. Entretanto, a redução de 43% de resistência no ensaio de dano por umidade induzida ficou acima do que especifica a norma brasileira, que determina a perda de resistência máxima de 30%.

(10)

Scrap weathered green foundry sand (WGFS), generated in a southern Brazilian steel casting industry, was studied in this work. According to Brazilian standards, the green foundry sand waste is classified as a non-inert residue due to the potential leaching of toxic metal ions. Its disposal in controlled landfills is the main form of final destination. The aim of this research study presented here was the characterization of weathered green foundry sand waste and to evaluate its applications on asphalt concrete. The material was characterized by X-ray fluorescence spectroscopy (XFA), powder X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TG), granulometric analysis, scanning electron microscopy (SEM). Environmental behavior tests were performed: solubilisation, neutral and alkaline leaching. The aggregates were characterized by granulometric analysis and sand content equivalent. The characteristics of asphalt binder were obtained as melting point and viscosity at the specified standard temperature. The determination of the optimum mix ratio used for the weathered green foundry sand waste on asphalt concrete was obtained using the Marshall method. The mechanical properties available were resilience modulus, static strength and reduction of the strength by induced humidity. The environmental behavior analyses results of solubilisation and leaching coupled with X-ray fluorescence spectroscopy shown that the scrap WGFS presents a lower content of clay mineral linked to the sand particles surface and reduced contents of aluminum, iron, sodium and sulphate. The chemical, mineralogical and physical characterizations shown that the WGFS presents pH of 8,44, reduced Fe2O3 and Al2O3 contents and lower quantities of clay mineral montmorilonite, and quartz. The resilience modulus (circa of 5400 MPa) and static strength (circa of 1.20 MPa) results obtained using 15 wt.% of WGFS were higher that the found with freshly green foundry sand or natural sand. However, the reduction of 43 % on strength for the induced humidity test was higher to the specified for the standard (30 %).

(11)

1. INTRODUÇÃO

1.1 A INDÚSTRIA DA FUNDIÇÃO E A GERAÇÃO DE RESÍDUOS

A indústria de fundição no Brasil emprega cerca de 55.500 trabalhadores em aproximadamente 1000 empresas distribuídas em todo o país, atuando na confecção de peças em ferro, aço, alumínio e demais ligas não ferrosas (ABIFA, 2007). É um segmento econômico caracterizado pela produção de bens intermediários, fornecendo produtos para indústria automobilística, construção ferroviária e naval, bens de capital, como máquinas e implementos agrícolas, siderurgia, mineração, além de válvulas e peças para extração e refino de petróleo (OKIDA, 2006 apud FILHO & LIMA, 2000).

Na região Sul do Brasil as indústrias do ramo foram responsáveis pela produção média de aproximadamente 76.000 toneladas de fundidos em setembro de 2007. Isso corresponde a 27,87% da produção nacional, sendo considerada a segunda maior produtora do país, atrás apenas do Estado de São Paulo (ABIFA, 2007).

O setor da fundição, apesar de consumir peças metálicas como matéria prima, é conhecido como altamente poluidor, talvez pelo fato de ser confundido com o setor siderúrgico, ou também pelo fato de décadas anteriores despejarem seus poluentes na atmosfera, através de seus fornos de fusão (BONET et al, 2003).

Atualmente, a maior preocupação tem sido o resíduo proveniente da areia de moldagem, que corresponde ao maior volume gerado pela Indústria da Fundição. A areia é utilizada para dar forma às peças metálicas e o resíduo terá características físico-químicas diferenciadas em função das peculiaridades de cada processo.

Segundo DANTAS (2003) apud SCHEUNEMANN (2005), o índice de consumo de areia, dependendo do tipo de peça, varia de 800 a 1.000 kg para cada peça de 1.000 kg. Essa areia normalmente é extraída de jazidas de cava ou rios, sendo considerado um bem não renovável, cujo beneficiamento geralmente causa impactos ambientais.

(12)

natural desfigurada, além de serem potencialmente tóxicos se disposto em áreas não controladas (CARNIN, 2008).

Por esse motivo, diversos pesquisadores buscam aplicações para o resíduo de areia de fundição, como substituto do agregado miúdo, na fabricação de artefatos em concreto (tampas de boca de lobo, meio fio, mourões, tijolos), na fabricação de argamassa colante, em pavimentação asfáltica e de concreto (MELLO, 2004; BONET, 2002; COUTINHO, 2004; WATANABE, 2004).

A pavimentação asfáltica destaca-se por ser um setor de alto consumo de agregado miúdo, em torno de 10 a 15% do peso total. Soma-se a esse fato a necessidade de construção de novas rodovias e também a recuperação das existentes.

Segundo dados do GEIPOT (2001), aproximadamente 60% do transporte de cargas no Brasil é rodoviário e é também onde circulam cerca de 96% dos passageiros. Mas essa realidade confronta-se com a pesquisa realizada pela Confederação Nacional de Transporte (CNT) a qual aponta que dos 196.000 Km de rodovias pavimentadas 65,4% encontra-se em condições deficientes, ruins ou péssimas (BERNUCCI et al, 2007).

Dessa forma pode-se chegar à conclusão de que a utilização do resíduo areia de fundição como substituto do agregado miúdo em revestimentos asfálticos pode ser uma alternativa para redução de custos na pavimentação e para evitar sua disponibilização em aterros.

Por outro lado o resíduo areia verde de fundição possui elementos que podem interferir nas propriedades mecânicas dos pavimentos asfálticos ao longo do tempo. Isso se deve ao fato de possuírem uma camada de argila e carvão aderidas à superfície das partículas de areia, o que dificulta o envolvimento destas partículas pelo ligante asfáltico.

Além disso, o próprio resíduo quando caracterizado, apresenta teor de ferro e alumínio acima do que é permitido pela norma ambiental NBR 10004/2004.

(13)

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo Geral

O objetivo deste trabalho é caracterizar o resíduo de areia verde de fundição intemperizado e avaliar seu potencial de uso em concreto asfáltico usinado a quente.

2.2 Objetivos Específicos

• Verificar os teores de material argiloso e pó de carvão, aderidos à superfície das

partículas do resíduo de areia verde de fundição intemperizado;

• Caracterizar o resíduo de areia verde de fundição intemperizado através de

análises físico-químicas, mineralógicas e ambientais;

• Efetuar comparativo entre os resíduos areia verde de fundição intemperizado e o

resíduo de areia verde de fundição recém saído do processo;

• Caracterizar as matérias-primas: agregados, ligante asfáltico e resíduo areia verde

de fundição intemperizado, para posteriormente realizar o processo de dosagem;

• Incorporar o resíduo de areia verde de fundição intemperizado em concreto

asfáltico usinado a quente, utilizando o método Marshall para dosagem do teor de ligante;

• Avaliar as propriedades mecânicas de rigidez, resistência à tração e adesividade

através de ensaios específicos para o concreto asfáltico usinado a quente, após incorporação do resíduo areia verde de fundição intemperizado.

3. ESTRUTURA DO TRABALHO

(14)

O Capítulo 2 apresenta conceitos, definições e propriedades importantes a respeito do resíduo de areia verde de fundição e pavimentação asfáltica, assim como, propriedades e características dos materiais utilizados em pavimentação. Também apresenta trabalhos realizados com areia verde de fundição, sua caracterização e incorporação em misturas asfálticas, métodos de análise e resultados obtidos.

O Capítulo 3 traz a metodologia e os ensaios realizados para caracterização das matérias-primas, dosagem e moldagem do concreto asfáltico usinado a quente, e ensaios de resistência mecânica.

(15)

1. AREIA DE FUNDIÇÃO

Segundo KONDIC (1973) a maior parte da produção de peças fundidas é feita com moldagem em areia. Uma das razões para este fato é a abundância de areia de sílica e pela sua facilidade de extração.

Os moldes são constituídos pela mistura de vários elementos que se combinam proporcionando características de perfeita trabalhabilidade, permeabilidade, coesão, resistência a esforços mecânicos, como tração e compressão, entre outros.

Os moldes em areia são constituídos basicamente de areia base, aglomerantes e aditivos. Dependendo do aglomerante utilizado a ABIFA (1999) classifica em: areia verde de fundição e areia ligada quimicamente.

1.1 Areia Verde de Fundição

Esse tipo de molde é o mais utilizado por ser o mais econômico e rápido principalmente para a conformação da parte externa das peças (casca).

Associada a uma argila, a areia base se torna plástica e toma facilmente a forma de um modelo, desde que se ajuste o teor de umidade. As argilas possuem uma estrutura lamelar fina e elevada capacidade de adsorver íons metálicos e água, fazendo com que as partículas de argila se unam aderindo à superfície do mineral base (KONDIC, 1973).

(16)

As bentonitas são silicatos de alumina hidratado que contém em sua composição, além do silício e alumínio, ferro, cálcio, magnésio e potássio (PEREIRA et al., 2004). Sua estrutura se apresenta em forma de lamelas com duas camadas de tetraedos de sílica e uma camada de octaedros de alumínio em uma estrutura do tipo 2:1. Possuem elevada área superficial e desbalanceamento de cargas elétricas. Esse desbalanceamento é compensado pela absorção de cátions do ambiente e sua intensidade é medida pela capacidade de troca de cátions (CTC) (GUESSER & MASIERO, 2003).

A ligação entre as partículas de bentonita e os grãos de areia é realizada pela ordenação de dipolos de água, que ocorre devido ao desbalanceamento das cargas elétricas, sendo estas ligações mais intensas quanto maior a CTC da bentonita. Os cátions trocáveis dependem do ambiente onde as bentonitas se formaram, destacando-se os cátions cálcio e sódio como os mais importantes (GUESSER & MASIERO, 2003).

Sabe-se que o sódio como cátion trocável possui maior distância de interação com dipolos da água quando comparado ao cálcio, mesmo em situação de grande quantidade de água presente, aumentando a resistência à tração a úmido da areia de moldagem (GUESSER & MASIERO, 2003).

Na Argentina existem grandes reservas de bentonitas sódicas naturais, principalmente na província de Neuquén, mas o elevado custo de transporte torna esta matéria-prima cara. Já a bentonita cálcica é extraída de jazidas brasileiras localizadas no município de Campina Grande – Paraíba (GUESSER & MASIERO 2003).

Por estes motivos é que se faz a transformação da bentonita cálcica natural em bentonita sódica ativada, através da adição de barrilha leve (carbonato de sódio), que exige mistura e tempo de tratamento adequado (GUESSER & MASIERO 2003).

Além da bentonita e da água alguns aditivos são utilizados para conferir à areia verde de fundição características especiais. Entre estes destacam-se os amidos, pó de madeira ou pó de carvão, sendo este último o mais utilizado atualmente.

(17)

De um modo geral os componentes da areia verde de fundição são: areia base, bentonita natural, bentonita ativada, pó de carvão e água. Torna-se importante ressaltar que todos são de origem mineral, ou seja, extraídos da própria natureza.

1.2 Areia Ligada Quimicamente

As areias ligadas quimicamente são aquelas cujo aglomerante utilizado é orgânico, inorgânico ou misto, tais como: resinas, silicato de sódio e cimento.

Segundo KONDIC (1973), os aglomerantes orgânicos podem ser agrupados em produtos naturais como óleos, amidos e melaços, e produtos sintéticos como as resinas. O aquecimento entre 150 e 250ºC causa modificações estruturais no ligante acompanhada de um grande aumento em resistência. Este comportamento é típico dos ligantes do tipo óleo de linhaça e dos amidos.

No caso de resinas sintéticas quando misturadas com o agregado mineral, não proporciona qualquer resistência a verde, mas endurecerá quando em contato com um modelo aquecido ou com uma caixa aquecida (KONDIC, 1973). As resinas sintéticas são usadas principalmente para confeccionar machos, pois estes requerem misturas mais resistentes. Frequentemente utilizam-se resinas fenólicas, que são conhecidas popularmente como baquelita, mas podem ser usadas também resinas uréia-formaldeído, furânicas e poliuretânicas. Esses aglomerantes são menos utilizados devido ao elevado custo (COUTINHO, 2004).

Os machos formam as reentrâncias e cortes internos necessários em vários tipos de peças. A figura 2.1 ilustra os moldes de macharia antes da regeneração.

(18)

1.3 Geração do resíduo de areia verde de fundição - RAVF

A formulação da areia virgem de fundição a ser usada depende do tipo de metal ou liga a ser fundida e sua preparação é feita através da aglomeração executada pelos misturadores.

Após o processo de vazamento do metal e resfriamento, ocorre o processo de desmoldagem e o material que chega ao final do ciclo de trabalho retorna através de correias transportadoras ao início do processo onde se inicia a regeneração.

Nesta fase, a areia de fundição encontra-se em forma de torrões - principalmente as areias de macharia (ligadas quimicamente), como mostrou a figura 1.1 - e necessitam obrigatoriamente passar pelo processo de destorroamento que constitui a primeira etapa para a regeneração e posterior reaproveitamento da areia de fundição.

O destorroador mais utilizado consiste em um recipiente vibratório dotado de grades superpostas com aberturas progressivamente menores - de cima para baixo - onde as colisões e as fricções entre os torrões promove sua progressiva desagregação. Caso os torrões possuam dimensões grandes, uma operação prévia de britagem pode preceder o destorroamento, melhorando o rendimento do equipamento e a uniformidade do resultado (SCHEUNEMANN, 2005).

Após esta etapa, as areias de fundição podem ser recicladas e reinseridas no processo. Por serem submetidas a elevadas temperaturas, alguns componentes da mistura sofrem perda de volume e das propriedades coesivas, principalmente no caso da bentonita, sendo necessário a reposição de uma quantidade de mistura nova. Dessa forma, a mesma quantidade de areia nova inserida é retirada para ser descartada fazendo gerar o resíduo areia verde de fundição (RAVF).

A areia verde de fundição a ser reutilizada, irá receber novo ajuste de umidade e então será incorporada à nova quantidade de mistura e normalmente isso acontece sem passar por nenhum processo de regeneração.

(19)

1.3.1 Regeneração da areia de fundição

Conforme descrito, após o processo de destorroamento as areias podem passar por processos de recuperação dos grãos chamado de regeneração, para posterior reutilização.

Segundo MARIOTTO (2000) apud SCHEUNEMANN (2005), a regeneração consiste na limpeza superficial dos grãos, destacando e removendo partículas aderidas, com o objetivo de reconduzir a areia usada a uma condição semelhante à de uma areia nova.

Alguns tratamentos têm sido empregados mais frequentemente, de forma isolada ou combinada para regeneração da areia de fundição. SCHEUNEMANN (2005) cita os de maior importância como sendo: a) Tratamento térmico; b) Tratamento mecânico; e c) Tratamento úmido.

a) Tratamento térmico: consiste no aquecimento da areia a uma temperatura suficiente para queimar completamente todo o material aderido à superfície do grão. Esse processo é considerado o mais eficiente para limpeza dos ligantes orgânicos, como óleo e melaço, e para resinas sintéticas. Segundo a ABIFA (1999), os calcinadores são capazes de remover quase toda a resina aderida a superfície dos grãos de areia apresentando um rendimento final próximo de 100%.

A principal desvantagem desse processo é a energia necessária para aquecimento dos fornos.

b) Tratamento mecânico: pode ser feita por fricção a seco ou a úmido. Nesse processo, a matéria estranha na superfície dos grãos é removida por fricção entre os grãos ou contra partes do equipamento. A atrição a seco é mais recomendada quando o material a ser removido é duro e frágil, mas a obtenção de altas taxas de remoção requer agitação intensa, o que pode fraturar os grãos, causando uma perda efetiva na ordem de 4 a 8%.

(20)

da ordem de 90%. As areias de sílica processadas no sistema a úmido com conteúdo inicial de argila de 2,5 a 5% reduzem para valores uniformes de 0,3%. No entanto, o tratamento requer grandes quantidades de água para realização do processo, equipamentos de grande porte, ocupação de extensas áreas, elevado custo de manutenção, remoção de partículas, além da necessidade da areia ser seca antes do reuso, resultando em alto custo de investimento e manutenção.

As fundições de médio e pequeno porte muitas vezes não possuem equipamento necessário para realizar a regeneração e reutilização da areia proveniente dos moldes. Em outros casos, o tratamento necessário envolve elevados custos de operação, como é o caso do tratamento via úmido para a areia verde de fundição, tornando-se mais barato descartar diretamente em aterros do que reinserir no processo. Dessa forma, a preocupação passa a ser a grande quantidade de áreas a serem disponibilizadas para esse fim e o controle ambiental de manutenção.

1.4 Passivo ambiental

Atualmente existem três rotas que têm sido utilizadas, ou pelo menos estudadas, com relação à problemática de resíduos sólidos industriais. A primeira rota tem sido o processamento e disposição de resíduos em aterros; a segunda seria evitar a geração de resíduos sólidos e/ou minimizá-los no processo de origem; e a terceira, através da reciclagem externa (ARMANGE, 2005).

1.4.1 Disposição em aterros

As fundições de grande porte possuem aterro próprio mas as de médio e pequeno porte disponibilizam o resíduo gerado em aterros de empresas privadas. Nos dois casos os custos são elevados e o monitoramento de manutenção necessita ser constante além da grande preocupação relacionada ao tempo de vida útil das áreas disponibilizadas para esse fim.

(21)

a) Resíduo Classe I: Perigosos; b) Resíduo Classe II: Não perigosos;

• Resíduo Classe II A: não inertes • Resíduo Classe II B: inertes

O resíduo de areia de fundição é classificado pela norma como resíduo Classe II A, não inerte. Segundo MARIOTTO (2000) apud SCHEUNEMANN (2005), se não fossem as areias de macharia (ligadas quimicamente), muitas areias de fundição poderiam ser classificadas como resíduo “inerte” (Classe II B), mas a presença de algumas substâncias nocivas ao meio ambiente, acima do permitido pela norma, faz com que a maioria dessas areias sejam classificadas como “não inertes” (Classe II A).

No caso da areia verde de fundição, cujo ligante é a bentonita, a presença de alguns elementos químicos com teor um pouco acima da norma faz com que elas sejam descartadas da mesma forma que as areias de macharia. CARNIN (2008) realizou o ensaio ambiental de solubilização para o residuo recém saído do processo de fundição (RAVF 0) e também para os solos de 7 bairros da região de Joinville. Os resultados obtidos estão demonstrados nas Tabelas 2.1 e 2.2:

Tabela 2.1. Comparativo do solubilizado entre areia natural usada em pavimentação, matérias primas e o RAVF 0, conforme NBR 10006 (mg/L)

Parâmetros (mg/L) Areia RAVF 0 (mg/L) Carvão (mg/L) Bentonita Natural (mg/L)

Bentonita Ativada

(mg/L) LQ

LMP (mg/L)

Alumínio 14,9 55,45 < LQ 11,5 6,59 0,05 0,2

Bário 0,10 0,5 0,12 0,24 0,091 0,003 0,7

Cádmio < LQ < LQ < LQ < LQ < LQ 0,004 0,005

Cromo < LQ < LQ < LQ < LQ 0,024 0,013 0,05

Fenóis < LQ < LQ < LQ < LQ < LQ 0,001 0,01

Ferro 4,55 20,7 < LQ 1,98 3,15 0,02 0,3

Manganês 0,052 0,13 0,19 0,032 < LQ 0,02 0,1

Sódio 0,94 210 3,58 31,1 7,28 0,1 200

Sulfato 4 300 33 48 4 1 250

LQ: Limite de quantificação LMP: Limite máximo permitido Fonte: CARNIN (2008) - Adaptado

(22)

Tabela 2.2. Comparativo do solubilizado entre os solos de 7 bairros de Joinville, conforme NBR 10006 (mg/L)

Parâmetros (1) (2) (3) Solos – Bairros de Joinville (mg/L) (4) (5) (6) (7) LQ LMQ

Alumínio 1,13 16,5 37,1 < LQ < LQ 0,32 0,32 0,05 0,2

Bário 0,014 0,03 0,07 < LQ 0,014 0,014 0,014 0,003 0,7

Fenóis < LQ < LQ < LQ < LQ < LQ < LQ < LQ 0,001 0,01

Ferro 0,3 4,13 8,97 < LQ 0,05 < LQ 0,05 0,02 0,3

Manganês < LQ < LQ < LQ 0,03 < LQ < LQ < LQ 0,02 0,1

Sódio 1,38 0,87 1,19 1,03 0,01 23,8 0,01 0,1 200

Sulfato 5 2 3 < LQ 2 < LQ 2 1 250

LQ: Limite de quantificação LMP: Limite máximo permitido Fonte: CARNIN (2008) - Adaptado

Com a tabela 2.2 é possível perceber que o resíduo areia verde de fundição (RAVF 0) possui características semelhantes a de alguns solos da região de Joinville.

A partir destas informações, pode-se pensar que caso o RAVF 0 possuísse menor quantidade de carvão e bentonita, talvez os teores de alumínio, ferro, manganês, sódio e sulfatos pudessem ser menores, alterando de forma significativa o resultado do ensaio de extrato solubilizado.

1.4.2 Minimização da geração de resíduo

A minimização da geração do resíduo de areia de fundição pode ocorrer a partir da implantação de processos de regeneração, conforme descrito em item anterior. Mas o custo de implantação para as empresas de médio e pequeno porte aliado ao fato de não se conseguir obter 100% de eficiência faz com que a geração continue a ser constante. Dessa forma, uma alternativa de grande retorno é tornar este resíduo matéria-prima para novos subprodutos.

1.4.3 Reciclagem externa

(23)

resíduos sólidos industriais podem ser utilizados como matéria-prima para fabricação de materiais usados principalmente na construção civil, como é o caso das cinzas volantes das termoelétricas, casca de arroz da indústria alimentícia e lodo da indústria têxtil. Na indústria metalúrgica pode-se citar a areia de fundição, escória de cobre e escória de auto-forno (ARMANGE, 2005.)

Uma alternativa interessante para o reaproveitamento do resíduo de areia de fundição é como substituto do agregado miúdo em pavimentação asfáltica. CARNIN (2008), realizou estudo comprovando que, além de não afetar as propriedades mecânicas estruturais, a aplicação do RAVF 0 em revestimentos asfálticos inibe a extração de íons considerados contaminantes pela norma NBR 10004. Isso acontece devido ao envolvimento do agregado pelo ligante asfáltico.

Além disso, a diminuição no teor de elementos como alumínio, ferro, sódio, manganês e sulfatos no extrato solubilizado do resíduo, pode vir a favorecer a legalização da aplicação em camadas de revestimento asfáltico.

É com este objetivo que o resíduo alvo de estudo neste trabalho é o RAVF 2, resíduo de areia verde de fundição intemperizado, material este que permaneceu no aterro de uma fundição de Joinville por um período de 2 anos, sofrendo ações de intemperismo que podem ter causado lixiviação natural e remoção de material argiloso e carvão aderidos a superfície do grão.

Caso a caracterização ambiental comprove esta diminuição uma grande quantidade de resíduo de areia de fundição disponibilizado em aterro poderá vir a ser reaproveitado tanto para a pavimentação de novas vias, quanto para o recapeamento das estradas e rodovias já existentes.

Os ensaios utilizados para caracterização ambiental deste material foram: solubilização e lixiviação, conforme determina norma ambiental vigente.

1.5 Ensaio de Lixiviação para Resíduos Sólidos

(24)

No ensaio de lixiviação ocorre a separação de certas substâncias contidas nos resíduos por meio da dissolução no meio extrator. Quando no extrato lixiviado são detectados teores de material poluente em concentração superior aos padrões estabelecidos pelo Anexo F da respectiva norma, os resíduos são classificados como Classe I – perigosos. A Norma Complementar NBR 10.005/2004, estabelece as condições necessárias para a lixiviação de resíduos objetivando sua classificação como Classe I ou II.

O ensaio é realizado utilizando 100g de amostra representativa do resíduo, conforme especificação da Norma Complementar NBR 10.007/2004, e misturada a 2.000 ml de solução de extração. O frasco de lixiviação é fechado e mantido sob agitação rotatória por 18 horas a 30 rpm. Após este processo a amostra é então filtrada e o extrato obtido é analisado (RODRIGUES, 2005).

Existem duas soluções de extração, onde a primeira possui o pH de 4,93 e a segunda pH de 2,88. É necessário que seja determinado antes do ensaio qual das soluções será utilizada e, para isso, deve-se pesar 5g de resíduo (com partículas menores que 9 mm de diâmetro) e transferir para um recipiente com 96,5 ml de água deionizada e agitar vagarosamente por 5 minutos. Em seguida, o pH deve ser medido e se for menor ou igual a 5, utiliza-se a primeira solução. Caso o pH seja maior que 5, adiciona-se 3,5 ml de HCl, homogeneíza-se e se aquece a 50ºC por 10 minutos. Mede-se novamente o pH e se este for menor ou igual a 5, utiliza-se a primeira solução e se for maior que 5 utiliza-se a segunda solução (RODRIGUES, 2005).

1.6 Ensaio de Solubilização para resíduos sólidos

A Norma Complementar NBR 10.006/2004 trata da solubilização de resíduos, impondo condições para que seja possível diferenciar os resíduos das Classes IIA e IIB. A amostra a ser analisada deve ser coletada conforme as condições especificadas pela NBR 10007/2004.

(25)

2. PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA

Em meio ao transporte terrestre a pavimentação de rodovias possui um lugar de destaque. Toda uma estrutura é montada para garantir a funcionalidade e durabilidade do pavimento. As estruturas de pavimentos são sistemas de camadas assentes sobre uma fundação chamada subleito. Entre as camadas estruturais pode-se citar: reforço de subleito, sub-base, base e revestimento (BERNUCCI et al. 2007).

O subleito é a camada de solo que recebe de forma indireta as ações do tráfego, ou seja, é o terreno de fundação do pavimento. Quando essa camada não possui capacidade de suporte suficiente para receber os esforços transmitidos através das camadas superiores, é realizada uma camada de reforço denominada reforço de subleito utilizando materiais com resistência superior (SENÇO, 1997).

Sub-base é a camada do pavimento subjacente à base que fornecendo o necessário suporte à mesma, transmite à camada de subleito esforços normais compatíveis com a capacidade de suporte desta. Geralmente a camada de sub-base é formada por material de capacidade de suporte superior ao do subleito (CBR>20) e visa permitir reduções na espessura da camada de base (SENÇO, 1997).

A base é uma camada típica granular, e trabalha essencialmente à compressão vertical, e para não sofrer ruptura ou deformações indesejáveis, deve ser suficientemente estabilizada, constituída por materiais resistentes e protegida pelo revestimento. A camada de base deve ser capaz de resistir aos esforços do tráfego transmitidos através do revestimento, absorvê-los suficientemente de forma que a parcela transferida ao subleito seja adequadamente reduzida. É imprescindível à camada de base, como também a todas as camadas da estrutura do pavimento, uma boa densificação, ou seja, elevado grau de compactação (SENÇO, 1997).

O revestimento é a camada que recebe diretamente a ação do tráfego e é destinada a melhorar a superfície de rolamento garantindo conforto e segurança do usuário. Deve ser impermeável e resistir ao desgaste tanto quanto for possível, aumentando dessa forma a durabilidade da estrutura (SENÇO, 1997).

(26)

materiais componentes, além de apresentar regularidade superficial (boas condições de rolamento para os veículos), característica antiderrapante, boa rugosidade (minimização de riscos de “aquaplanagem”) e ser suficientemente impermeável (SENÇO, 1997).

De um modo geral, os pavimentos podem ser classificados em pavimentos rígidos e pavimentos flexíveis, mas recentemente há uma tendência de usar a nomenclatura pavimentos de concreto de cimento Portland (ou simplesmente concreto-cimento) e pavimentos asfálticos, respectivamente (BERNUCCI et al. 2007).

Os pavimentos rígidos, em geral associados aos de concreto de cimento Portland, são compostos por uma camada superficial de concreto de cimento Portland (em geral placas, armadas ou não), apoiada geralmente sobre uma camada de material granular ou de material estabilizado com cimento (chamada sub-base), assentada sobre o subleito ou sobre um reforço de subleito quando necessário. A figura 2.2, mostra uma estrutura-tipo de pavimento de concreto de cimento Portland (BERNUCCI et al. 2007).

Figura 2.2. Estrutura-tipo pavimento de concreto de cimento Portland Fonte: BERNUCCI (et al., 2007)

(27)

Figura 2.3. Estrutura-tipo de pavimento asfáltico Fonte: BERNUCCI (et al., 2007)

Em geral, a camada de revestimento é submetida a esforços de compressão e de tração devido à flexão, ficando as demais camadas submetidas principalmente à compressão. Em certos casos, uma camada subjacente ao revestimento pode ser composta por materiais estabilizados quimicamente de modo a proporcionar coesão e aumento de rigidez, podendo resistir a esforços de tração. Neste caso se tem empregado a terminologia de pavimentos semi-rígidos para aquele com revestimentos asfálticos que possuam em sua base ou sub-base materiais cimentados, que também são solicitados à tração (BERNUCCI et al. 2007).

2.1 Revestimento Asfáltico - CAUQ

Os revestimentos asfálticos são basicamente constituídos pela mistura de agregado graúdo, agregado miúdo, material de enchimento (filler – eventualmente) e ligante asfáltico denominado CAP (cimento asfáltico de petróleo), seguindo proporções definidas previamente em laboratório e de forma a atender os requisitos granulométricos, densidade, porcentagem de vazios, grau de compactação e de resistência, compatíveis com padrões preestabelecidos.

(28)

O objetivo da formulação de uma mistura asfáltica é a definição das porcentagens dos seus componentes (agregados e ligante) de modo a obter um material com as características exigidas para o tipo de aplicação a que se destina (AMARAL, 2004).

As principais características mecânicas exigidas a uma mistura asfáltica são: a) Resistir às trincas por fadiga;

b) Resistir às deformações permanentes;

c) Resistir às fissuras por ação das intempéries; d) Resistir ao desgaste.

Além destas exigências estruturais, uma mistura asfáltica deve também apresentar requisitos funcionais tais como:

a) Ser impermeável para proteger toda a estrutura do pavimento;

b) Ser trabalhável durante a fabricação e o espalhamento para facilitar a compactação;

c) Apresentar micro e macro textura conferindo segurança ao usuário em termos de aderência pneu/pavimento, principalmente em pavimentos molhados.

Estas características devem ser cumpridas procurando maximizar a relação benefícios/custos. Para isto existem métodos de dosagem de misturas asfálticas que permitem determinar o teor de asfalto em função de uma determinada graduação de agregados e filler (AMARAL, 2004).

Para este trabalho a formulação foi realizada através do método de Dosagem Marshall e o tipo de revestimento será o concreto asfáltico usinado a quente (CAUQ).

O CAUQ se caracteriza pela operação de mistura ser precedida pelo aquecimento de seus componentes (agregados e ligante) às temperaturas elevadas (entre 140 e 177ºC), e sua distribuição e compactação na pista estar em temperaturas em torno de 140ºC. Este tipo de revestimento apresenta maior controle tecnológico e melhor desempenho em serviço, tornando-se o mais utilizado em pavimentação de rodovias.

(29)

2.2 Ligante – Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP)

O CAP é um material aglutinante e impermeabilizante de consistência variável, cor pardo-escura ou negra e no qual o constituinte predominante é o betume, podendo ocorrer na natureza em jazidas ou ser obtido pela refinação do petróleo (IBP, 1999). Apresenta característica de flexibilidade, durabilidade e alta resistência à ação de ácidos, sais e álcalis.

Todas as propriedades físicas do CAP estão associadas à sua temperatura. É um produto semi-sólido a temperaturas baixas, viscoelástico a temperatura ambiente e líquido a altas temperaturas (BERNUCCI et al, 2007).

Pode apresentar características diferentes, podendo variar de uma refinaria para outra ou até mesmo dentro de uma mesma refinaria. Para garantir que o CAP seja adequado à pavimentação costuma-se medir, através de ensaios normatizados, algumas de suas características físicas, como a dureza através do ensaio de penetração e a resistência ao escoamento através da viscosidade.

A penetração consiste na distância medida em décimos de milímetro que uma agulha padrão penetra verticalmente na amostra do material sob a temperatura de 25ºC. Esse ensaio é o que caracteriza a classe do ligante (Tabela 2.3) e no caso do CAP 50/70 o resultado deve compreender o intervalo entre 50 e 70 décimos de milímetro.

Tabela 2.3. Classificação dos CAP´s conforme NBR 6575/2007

Classe Penetração (0,1mm)

CAP 30/45 30-45

CAP 50/70 50-70

CAP 85/100 85-100

CAP 150/200 150-200

Fonte: Resolução nº 19 da ANP

A viscosidade é uma medida de consistência do ligante asfáltico. O objetivo é determinar o estado de fluidez nas temperaturas em que usualmente são trabalhados de forma que venha a garantir o envolvimento do agregado pelo ligante (SENÇO, 1997).

(30)

escoamento de uma certa quantidade de ligante por um orifício denominado Saybolt-Furol cuja unidade é denominada segundos Saybolt-Furol (BERNUCCI et al 2007).

O segundo ensaio parte da definição de líquido Newtoniano e mede o comportamento do fluido a diferentes taxas e tensões de cisalhamento, obtidas pela rotação de cilindros coaxiais que ficam mergulhados na amostra em teste. É uma medida de viscosidade dinâmica expressa em centipoise (cP) (BERNUCCI et al 2007).

Para este trabalho foram determinadas as viscosidades Brookfield para as temperaturas especificadas pela norma. A Tabela 2.4 apresenta os limites mínimos para a viscosidade do CAP 50/70 conforme resolução nº 19 da ANP.

Tabela 2.4. Limites mínimos de viscosidade para o CAP 50/70

CAP 50/70 135ºC 150ºC 177ºC

Viscosidade Brookfield

(sp 21, 20rpm) 274 cP 112 cP 57-285

Fonte: Resolução nº 19 da ANP

A viscosidade do CAP em função da variação de temperatura apresenta pontos onde ocorrem mudanças de interação entre as moléculas e conseqüentemente mudança de fase. O primeiro ponto é denominado Ponto Fraass e o segundo denominado Ponto de Amolecimento. Abaixo do Ponto Fraass o CAP é um sólido, as moléculas estão coesas levando o ligante a uma rigidez crítica, sendo que, quando submetido à flexão tende mais pronunciadamente a romper do que a fluir. Entre o Ponto Fraass e zero graus, o material apresenta comportamento elástico (BERNUCCI et al, 2007).

Elevando a temperatura, as moléculas começam a se mover e a viscosidade diminui. Dessa forma, entre zero graus e o ponto de amolecimento o comportamento predominante é o viscoelástico. A movimentação torna-se maior a partir do Ponto de Amolecimento onde começa o domínio fluido (líquido), tornando-se predominante o comportamento viscoso. (BERNUCCI et al, 2007).

(31)

Outras propriedades são igualmente importantes para o ligante asfáltico, e também estão relacionadas a temperatura e viscosidade, sendo elas: a) ductilidade; e b) índice de suscetibilidade térmica.

a) Ductilidade: esta propriedade indica se o material betuminoso é dúctil ou não. Os ligantes dúcteis tem propriedades aglutinantes melhores do que os não-dúcteis, pois garantem a flexibilidade das misturas betuminosas utilizadas nos pavimentos. Ductilidades altas indicam pavimentos mais suscetíveis às mudanças de temperaturas. Inversamente, ductilidades baixas indicam pequena suscetibilidade às variações de temperatura. O ensaio verifica a suscetibilidade térmica à temperatura de 25ºC. A ductilidade mínima para o CAP 50/70 deve ser de 20cm (SENÇO, 1997).

b) Índice de suscetibilidade térmica: trata-se de uma propriedade importante, pois sendo o ligantes muito suscetíveis à variação de estado ou de propriedades frente à variação de temperatura podem causar alterações de comportamento em serviço frente às variações de temperatura ambiente. Os revestimentos com ligantes pouco suscetíveis tornam-se duros e quebradiços a baixas temperaturas. Os muito suscetíveis modificam sua consistência para pequenas variações de temperatura. O cálculo do IST foi proposto por Pfeifer-Von Doormal (equação 2.1) e relaciona as medidas de penetração a 25ºC e o ponto de amolecimento. Ele parte do princípio de que todos os ligantes na temperatura correspondente ao ponto de amolecimento, possuem penetração igual a 800 (SENÇO, 1997).

(Eq.2.1)

Onde:

PA(ºC)= ponto de amolecimento em ºC (log P)= logaritmo da penetração a 25ºC.

(32)

2.2.1 Envelhecimento do ligante asfáltico

O envelhecimento pode ser definido como o processo de endurecimento que o ligante sofre durante a estocagem, usinagem, aplicação e o tempo de serviço, responsável pela alteração das propriedades físicas, químicas, reológicas e coesivas da mistura, causando o aumento de sua consistência. Essas propriedades estão relacionadas à durabilidade das misturas asfálticas. (MORILHA, 2004; LIMA, 2003).

O envelhecimento do ligante asfáltico ocorre em 3 fases. A primeira é a de maior impacto e ocorre durante a usinagem, onde os agregados aquecidos são misturados com o cimento asfáltico aumentando a viscosidade e diminuindo a penetração. Representa cerca de 60% de todo o envelhecimento sofrido. A segunda etapa está relacionada ao transporte, estocagem, espalhamento e compactação na pista e representa aproximadamente 20% do envelhecimento total. A terceira e última etapa ocorre lentamente durante a vida útil do revestimento, quando está sujeito às ações do tráfego e do meio ambiente. Ocorre até que o mesmo adquira uma rigidez excessiva que facilita o trincamento por fadiga. Representa cerca de 20% do envelhecimento total sofrido pelo ligante. (TONIAL, 2001 apud MORILHA, 2004; LIMA, 2003)

De acordo com WHITEOAK, 1990 apud MORILHA (2004), são quatro os principais fatores responsáveis pelo envelhecimento dos ligantes asfálticos:

a) Oxidação: o ligante asfáltico oxida quando em contato com o ar, assim como outras substâncias orgânicas. Durante o processo de usinagem, a presença de oxigênio, a elevada superfície específica dos agregados e as altas temperaturas propiciam a oxidação;

b) Perda de voláteis: a evaporação e perda de voláteis depende da temperatura e da condição de exposição. Em ligantes alfálticos puros esta perda pode ser considerada pequena pelo fato de terem baixos teores de voláteis em sua composição;

c) Endurecimento físico: ocorre à temperatura ambiente e é atribuído a reordenação de moléculas e cristalização da parafina. Este é um processo reversível;

(33)

função tanto da tendência de exsudação do ligante quanto da porosidade do agregado em absorver o material.

Segundo CERATTI (1997) apud BONET (2002), os principais problemas apresentados pelo envelhecimento dos CAPs são:

a) fissuras que se formam e crescem nas camadas de revestimentos asfálticos devido à fadiga provocada pela repetição das cargas do tráfego;

b) afundamentos de trilha de roda ou ondulações na superfície ocasionadas por acúmulo de deformações plásticas em todas as camadas ou localizadas na camada de revestimento, sob a ação do tráfego;

c) desgaste e exposição de agregados, com perda da macrotextura superficial do pavimento decorrente da abrasão provocada pelos veículo;

d) trincamento do ligante e o arrancamento dos agregado.

Assim, ensaios que simulam o envelhecimento da camada de pavimentação são importantes, principalmente quando se faz uso de resíduo na substituição dos agregados.

2.3 Agregados – Propriedades e Características Tecnológicas

As características tecnológicas de um agregado asseguram a distinção de materiais, de modo a garantir sua uniformidade, e a escolha de um material que resista de forma adequada, as cargas que o pavimento irá suportar.

Segundo DNIT (2006) as características dos agregados que devem ser levados em consideração para serem utilizados em serviços de pavimentação, são as seguintes:

(34)

al, 2007). É importante o tamanho máximo do agregado para se obter uma superfície lisa e suavidade da marcha dos veículos.

A análise granulométrica é feita através do peneiramento dos agregados graúdos e miúdos e pela determinação da curva granulométrica.

Segundo BERNUCCI et al, (2007) as misturas asfálticas a quente podem ser subdivididas pela graduação dos agregados e fíller, no qual pode-se destacar:

Graduação densa: este tipo de graduação possui curva granulométrica com

distribuição de partículas contínuas e com inclinação aberta. É bem graduada de forma a proporcionar um esqueleto com poucos vazios visto que os agregados de dimensões menores preenchem os vazios dos maiores..

Graduação aberta: este tipo de graduação possui curva granulométrica uniforme e

com inclinação fechada. Possui agregados quase exclusivamente de um mesmo tamanho, de forma a proporcionar um esqueleto com muitos vazios interconecetados, com insuficiência de material fino (menor que 0,075mm) para preencher os vazios dos agregados maiores. Possui o objetivo de tornar a mistura com elevado volume de vazios com ar tornando-se drenante, pois possibilita a percolação de água no interior da mistura asfáltica.

Graduação descontínua: curva granulométrica com proporcionamento dos grãos

de maiores dimensões em quantidade dominante em relação aos grãos de dimensões intermediárias, completados por certa quantidade de finos, de forma a ter uma curva descontínua em certas peneiras. Possui como objetivo tornar o esqueleto mais resistente à deformção permanente devido ao maior número de contatos entre os agregados gráudos.

Para este trabalho será utilizado a graduação densa e seguirá a faixa C conforme a norma do DNIT-ES 031/2006. É importante destacar que a faixa adotada deve ser aquela cujo diâmetro máximo seja inferior a 2/3 da espessura da camada. Os limites determinados para essa faixa granulométrica está explícita na Tabela 2.5. b) Forma: a forma das partículas dos agregados influi na trabalhabilidade e

(35)

de partículas achatadas ou alongadas em grande quantidade é prejudicial e devem ser evitadas (BATISTA, 1975, SENÇO, 1997).

Tabela 2.5. Tolerância de granulometria para misturas asfálticas Peneira – Série

ASTM Abertura (mm) Faixa C (%) Tolerâncias (%)

2” 50,8 - -

½” 38,1 - ±7

1” 25,4 - ±7

¾” 19,1 100 ±7

½” 12,7 80-100 ±7

3/8” 9,5 70-90 ±7

Nº.4 4,8 44-72 ±5

Nº.10 2,0 22-50 ±5

Nº.40 0,42 8-26 ±5

Nº80 0,18 4-12 ±3

Nº.200 0,075 2-10 ±2

Fonte: DNIT-ES 031/2006

c) Absorção de água - Porosidade: Os agregados geralmente possuem certa porosidade capilar interna, que absorve parte do ligante. Como conseqüência é possível que o pavimento se comporte como se tivesse ligante asfáltico insuficiente caso não se leve em consideração esse fato durante a dosagem da mistura (BATISTA, 1975). A porosidade de um agregado é normalmente indicada pela quantidade de água que ele absorve quando imerso. A absorção é a relação entre a massa de água absorvida pelo agregado graúdo após 24 horas de imersão (DNER-ME 081/98) à temperatura ambiente e a massa inicial de material seco, sendo determinada para permitir o cálculo das massas específicas, real e aparente do agregado (BERNUCCI et al, 2007).

d) Resistência ao choque e ao desgaste: a resistência ao choque e ao desgaste está associada à ação do tráfego, ou aos movimentos recíprocos das diversas partículas. A resistência ao choque é avaliada através do ensaio de Treton e a resistência ao desgaste pelo ensaio Los Angeles, ambos normalizados pelo DNER (DNIT, 2006).

(36)

f) Limpeza: alguns agregados contêm certos materiais que os tornam impróprios para utilização em revestimentos asfálticos, a menos que a quantidade desses materiais seja pequena. São materiais deletérios típicos, tais como: vegetação, conchas e grumos de argila presentes sobre a superfície das partículas do agregado (BERNUCCI et al, 2007). Além disso, estando as partículas envolvidas por pó, silte ou argila, a adesão com o ligante fica prejudicada (BATISTA, 1975). A limpeza dos agregados pode ser verificada visualmente ou determinados através do ensaio de equivalente de areia para agregados miúdos, conforme descreve a norma do DNER-ME 054/97. Este ensaio se baseia na relação entre a altura do nível superior da areia com a altura do nível superior da solução argilosa em uma proveta específica. Segundo a especificação dessa norma o equivalente de areia deve ser de pelo menos 55%.

g) Adesividade: a adesividade ao ligante é uma propriedade essencial para o bom resultado das misturas asfálticas, sendo que o efeito da água em separar ou descolar a película de ligante asfáltico da superfície do agregado pode torná-lo inaceitável para uso em pavimentação asfálticas. Agregados silicosos como o quarzito e alguns granitos requerem atenção. Agregados com alta adesividade em presença de água são aceitáveis para utilização em misturas asfálticas e denominados hidrofóbicos (BERNUCCI et al, 2007).

Além disso, agregados com partículas secas e limpas aderem melhor ao ligante que agregados com partículas limpas e úmidas e a melhor adesão é obtida quando estão secas e quentes, o que faz o CAUQ ter propriedades de adesividade superiores aos misturados a frio. Além disso, a adesividade pode ser melhorada com o emprego de aditivos denominados dope (BATISTA, 1975).

Neste trabalho a adesividade será medida através do ensaio Lottman modificado, descrito pela norma AASHTO T 283 ou dano por umidade induzida.

h) Massa específica aparente: A massa específica aparente de um agregado é necessária para transformação de unidades gravimétricas em unidades volumétricas e vice-versa, muito utilizada em serviços de pavimentação. A massa específica do grão identifica o material, a partir do qual se obteve o agregado (DNIT, 2006).

(37)

Como esta é igual a 1Kg/dm³, resulta que a densidade relativa tem o mesmo valor numérico que a massa específica, mas é adimensional (BERNUCCI et al, 2007).

Densidade real (Gsa): é determinada através da relação entre a massa seca e o

volume real. O volume real é constituído do volume dos sólidos, desconsiderando o volume de quaisquer poros na superfície (BERNUCCI et al, 2007).

Densidade aparente (Gsb): é determinada quando se considera o material como

um todo, sem descontar os vazios. É a relação entre a massa seca e o volume aparente do agregado que inclui o volume do agregado sólido mais volume dos poros superficiais contendo água (BERNUCCI et al, 2007).

Densidade efetiva (Gse): é determinada quando se trabalha com misturas

asfálticas cujo teor de ligante asfáltico seja conhecido. É calculada pela relação entre a massa seca da amostra e o volume efetivo do agregado. O volume efetivo é constituído pelo volume do agregado sólido e o volume dos poros permeáveis à água que não foram preenchidos pelo asfalto. Essa prática só é adequada quando o volume de poros superficiais é baixo, ou seja, para agregados com absorção inferior a 2% (BERNUCCI et al, 2007).

Densidade máxima teórica (DMT): é realizada através de uma ponderação das

massas específicas reais dos componentes da mistura asfálticas e suas proporções. A DMT é calculada, conforme equação 2.2, para as mistura com diferentes teores de ligante e pode ser usada com as densidades efetivas dos agregados ou até a média entre as densidades reais e aparentes. Normalmente utiliza-se a densidade real para agregados miúdos e a densidade efetiva para agregados graúdos (BERNUCCI et al, 2007).

(Eq.2.2)

Onde:

%a = porcentagem de asfalto, expressa em relação à massa total de mistura asfáltica; %Ag, %Am, %Ar = porcentagens de agregado graúdo, miúdo e RAVF 2 em relação à

massa total da mistura asfáltica;

Ga, GAg, GAm, GAr = densidades reais do asfalto, agregado graúdo e miúdo e do RAVF,

respectivamente.

Densidade máxima medida (Gmm): A densidade máxima medida é dada pela

(38)

agregados, vazios impermeáveis, vazios permeáveis não preenchidos com asfalto e total de asfalto (BERNUCCI et al, 2007).

A DMT e a Gmm são usadas no cálculo de percentual de vazios de misturas asfálticas compactadas, absorção de ligante pelos agregados, densidade efetiva do agregado, teor de asfalto efetivo e ainda para fornecer valores alvo para a compactação de misturas asfálticas. A figura 2.4 exemplifica a diferença entres os dois parâmetros (BERNUCCI et al, 2007).

Figura 2.4. Volumes considerados na determinação da DMT e da Gmm Fonte: BERNUCCI (et al. 2007)

Quando existe acentuada diferença de densidade entre o agregado miudo e graúdo, isto pode, como consequência, provocar comportamentos inferiores do pavimento em relação ao projeto, devido ao excesso de um agregado em relação ao outro. O que se recomenda é que seja feito o ensaio de granulometria por peso e as proporções por peso para a mistura dos agregados, ajustando as porcentagens equivalentes por volume sempre que os agregados que acompanham a mistura difiram em densidade mais que 0,2% (BERNUCCI et al, 2007).

2.4 Dosagem das Misturas Asfálticas - Método Marshall

O Método Marshall tem por finalidade a determinação do teor de ligante, levando em consideração os agregados a serem empregados nessa mistura, de modo que satisfaçam os requisitos mínimos de estabilidade e fluência determinadas pelas especificações.

(39)

A fluência é o deslocamento vertical, em mm, apresentado pelo corpo-de-prova correspondente à aplicação da carga máxima.

BERNUCCI et al, (2007) apresenta os seguintes passos para dosagem pelo Método Marhall:

a) Conhecer a granulometria e massa específica dos agregados e ligante;

b) Adotar uma faixa granulométrica compatível com o objetivo da mistura e a granulometria do componente;

c) Determinação da mistura de agregados-filler que satisfaça a faixa adotada;

d) Possuir as temperaturas de serviço especificadas através da curva viscosidade/temperatura;

e) Adoção de teores de ligante;

f) Após resfriamento faz-se a desmoldagem dos corpos de prova;

g) Determinação dos parâmetros: massa seca, massa submersa, massa específica, volume;

h) Determinação do volume de vazios (Vv), vazios com betume (VCB), vazios de agregado mineral (VAM) e relação betume/vazio (RBV);

i) Determinação da estabilidade e da fluência.

Para moldagem dos corpos-de-prova, a mistura asfáltica é colocada no molde padrão e compactada com 50 ou 75 golpes dependendo da pressão de pneu adotada. A figura 2.5 exemplifica o equipamento usado para a compactação dos corpos-de-prova:

(40)

O ensaio de estabilidade é feito na prensa Marshall, conforme figura 2.6, onde a amostra é colocada no molde e submetida à deformação, com uma velocidade padrão, até que se dê a ruptura, medindo-se nesse instante a carga máxima que a produziu, sendo este o valor da estabilidade Marshall, devendo ser corrigida quando a altura do corpo-de-prova for superior a 63,5mm (BATISTA, 1975).

Com os valores médios dos resultados obtidos acima, são construídas as curvas de estabilidade, volume de vazios (Vv), relação betume-vazios(R.B.V), fluência e volume de agregado mineral (V.A.M.), todas em função da porcentagem de ligante. Marcando os limites das especificações é possível determinar o intervalo de ligante que satisfaz as exigências. Dentro deste intervalo a porcentagem de ligante ótimo será o que atender todos os limites pré-determinados pela Tabela 2.6, conforme DNIT-ES 031/2006

Tabela 2.6. Limites estabelecidos

Parâmetros Camada de rolamento Método de Ensaio

% Vv 3 a 5% DNER-ME 043

RBV 75 a 82 DNER-ME 043

Estabilidade(mínima) 500 Kgf (75 golpes) DNER-ME 043

Resistência a tração a

25ºC(mínima) 0,65 MPa DNER-ME 138

Fonte: DNIT-ES 031/2006

Figura 2.6. Prensa Marshall Fonte: Ipiranga Asfaltos (2007)

(41)

de Asfalto norte-americano, não sofreu atualizações de acordo com as mudanças ocorridas, em pelo menos dois pontos:

a) A consideração da absorção de ligante pelos agregados e o uso da massa seca com superfície saturada;

b) O uso de fórmula para o cálculo da DMT (densidade máxima teórica). Na ASTM e no Instituto de Asfalto só se utiliza a Gmm (densidade máxima medida), o que leva em conta a absorção dos agregados e tem interferência muito grande nas determinações das relações volumétricas.

É importante ressaltar que os critérios convencionais volumétricos não garantem que o teor, dito “ótimo”, corresponda necessariamente ao melhor teor para todos os aspectos do comportamento de uma mistura asfáltica. Com a disseminação dos métodos com propriedades mecânicas recomenda-se que numa dosagem racional a mistura seja projetada para um determinado nível de resistência à tração (RT) e de módulo de resiliência (MR), de maneira que os conjuntos de tensões nas camadas que compõem a estrutura do pavimento não venham a diminuir a vida útil do revestimento.

2.5 Propriedades mecânicas das misturas asfálticas

Um bom pavimento é aquele que leva em consideração a rigidez de cada uma de suas camadas, de modo a propiciar uma resposta estrutural do conjunto condizente com as solicitações do tráfego. Diferentes parâmetros de rigidez têm sido utilizados para caracterizar o comportamento mecânico das misturas asfálticas. A importância de se conhecer a rigidez é possibilitar a análise do comportamento da estrutura do pavimento, que produz como resposta às tensões, deformações e deslocamentos do sistema em camadas. Sistemas em camadas estão sujeitos a cargas transientes provenientes do movimento dos veículos, o que gera tensões verticais em forma de ondas senoidais ou outros tipos de tensões. A tensão aplicada na superfície é função da magnitude do carregamento (BERNUCCI et al, 2007).

(42)

maior duração, sendo o limite o carregamento estático. A duração do pulso de carga está relacionada a velocidade dos veículos (BERNUCCI et al, 2007).

Outro fator importante é a freqüência de aplicação de pulsos de carga consecutivos, que quanto maior for essa freqüência menor é o tempo decorrido entre um pico de carga e outro (BERNUCCI et al, 2007).

Embora o CAP apresente comportamento reconhecidamente viscoelástico, as misturas asfálticas podem ser consideradas elásticas se a carga aplicada for pequena em relação à resistência do material (tensão de ruptura), e o carregamento for repetido por ciclos suficientemente longos. Admitir a hipótese de que o comportamento das misturas asfálticas como elástico linear, ou seja, rigidez independente do estado de tensões, possibilita a análise simplificada de sistemas de camadas por meio de soluções analíticas e numéricas (BERNUCCI et al, 2007).

O termo módulo tem sido usado de forma pouco rigorosa pois existem conceitos bastante distintos para ele. O comportamento resiliente dos materiais usados em pavimentação foi o primeiro a relacionar as deformações recuperáveis com as fissuras surgidas nos revestimentos asfálticos. O termo resiliência é definido classicamente como: “energia armazenada num corpo deformado elasticamente, a qual é devolvida quando cessam as tensões causadoras das deformações.” (HVEEM, 1955 apud BERNUCCI et al, 2007).

A verificação das propriedades mecânicas neste trabalho será realizada através da determinação do módulo de resiliência e do ensaio de resistência à tração estática. A adesividade será avaliada através do ensaio de dano por umidade induzida, conforme apresentado em item específico. A importância destas medidas é avaliar o desempenho das amostras moldadas com o uso do agregado RAVF 2 de acordo com o traço fornecido pela Dosagem Marshall.

2.5.1 Módulo de Resiliência

Figure

Updating...

References

Updating...

Download now (98 pages)