V JORNADAS LUSO-BRASILEIRAS DE PAVIMENTOS: POLÍTICAS E TECNOLOGIAS

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1 IMPORTÂNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA DO AGREGADO NA INTERAÇÃO COM O ASFALTO E NA RESISTÊNCIA MECÂNICA DO PAVIMENTO Roberto Carlos da C. Ribeiro 1, Julio César Guedes Correia 1, Francisco Wilson Hollanda Vidal 1 e Peter Rudolf Seidl 2 RESUMO Verificou-se que os minerais constituídos por feldspatos, como o basalto ou gnaisse, apresentam boa interação com diferentes ligantes. Já os agregados ausentes deste mineral, como o calcário, apresentam baixa interação com os ligantes. Quanto à resistência mecânica, pôde-se verificar que as misturas asfálticas constituídas por agregados com melhor interação físico-química foram os que apresentaram desempenho aceitável pelo DNIT (>80%). PALAVRAS-CHAVE: agregados minerais, asfalto, mistura asfáltica. ABSTRACT It was verified that the minerals constituted by feldspars, as the basalt or gneiss, they present good interaction with different asphalts. Already the aggregates absence of this mineral, as the limestone, present low interaction with the asphalts. As for the mechanical resistance, it could be verified that the asphalt mixtures constituted by aggregates with better physiochemical interaction were the ones that presented acceptable acting for DNIT (>80%). KEY WORDS: mineral aggregates, asphalt, asphalt mixtures. 1 CETEM Centro de Tecnologia Mineral, Av Ipê, 900, Ilha da Cidade Universitária, Rio de Janeiro RJ, rcarlos@cetem.gov.br e jguedes@cetem.gov.br 2 Escola de Química da UFRJ, Centro de Tecnologia, Bloco E, Ilha da Cidade Universitária, Rio de Janeiro RJ, psedl@eq.ufrj.br

2 1. INTRODUÇÃO Devido ao rápido crescimento da frota de veículos, principalmente em países em desenvolvimento, como o Brasil, é crescente a necessidade de reabilitação das rodovias, pois muitas vezes elas passam a suportar um tráfego não previsto em seu projeto. Para agravar a situação, não são adotadas políticas de manutenção preventiva, onde devem ser traçadas medidas adequadas à conservação destes pavimentos, além da falta de recursos sempre alegada quando da necessidade de restauração [1]. Para piorar ainda mais, a idade avançada da maior parte das rodovias brasileiras em conjunto com o constante aumento de solicitações impostas aos pavimentos, seja pelo crescimento do número de veículos da frota nacional e/ou pelo excesso de peso por eixo, têm levado a um processo de deterioração acelerado de nossos pavimentos [2]. A malha rodoviária nacional é responsável pela maioria do transporte de pessoas e pelos variados tipos de carga, entretanto o mau estado de conservação destas rodovias eleva o custo operacional dos veículos e diminui o nível de segurança, traduzido pelo crescente número de acidentes nas estradas. É gritante a necessidade de se manter estas rodovias em boas condições de tráfego e segurança, observada a grande influência do seu estado na qualidade do serviço oferecido aos usuários [3]. Atualmente, os órgãos responsáveis pelo gerenciamento das rodovias em nosso país se defrontam com um grave problema: a restauração de suas rodovias. Faz-se necessária uma análise das causas que levaram os nossos pavimentos a situação vergonhosa em que eles se encontram [4]. Boa parte das estradas brasileiras se apresenta em lastimável estado, onerando os custos em geral e mesmo desestimulando o desenvolvimento de vastas áreas do país. A qualidade de uma estrada se sustenta na boa prática da pavimentação e na adequada manutenção ao longo dos anos. O primeiro pilar, por sua vez, tem a ver com toda a tecnologia, engenharia e execução da obra em si, bem como com a qualidade dos produtos e processos empregados [5]. Devido ao colapso quase que absoluto dos pavimentos existentes no Brasil, torna-se cada vez mais necessário um conhecimento mais profundo sobre a qualidade e o processo de interação entre matérias-primas utilizadas (agregados minerais e asfaltos) na geração dos pavimentos. Dessa forma, o principal objetivo deste trabalho é verificar o processo de interação química entre diferentes asfaltos e agregados minerais com composições químicas e mineralógicas diferenciadas, e associar tais resultados com seus comportamentos de resistência mecânica. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 2.1 Origem dos agregados minerais Foram utilizados três tipos de agregados minerais: um basalto, oriundo de São Paulo, um gnaisse oriundo do Rio de Janeiro e um calcário oriundo do Ceará.

3 2.2 Origem dos CAPs Foram utilizados cinco diferentes asfaltos (CAPS 20), oriundos de diferentes refinarias brasileiras que foram chamados de A, B, C, D e E. 2.3 Avaliação dos agregados minerais Análises química e mineralógica A análise química e mineralógica do conjunto de agregados minerais foi realizada pela Coordenação de análises química e mineralógica do Centro de Tecnologia Mineral CETEM Determinação do índice de forma Para determinação da forma dos agregados graúdos utilizou-se a metodologia descrita na norma ASTM D4791 [6], utilizada pelo DNIT Abrasão Los Angeles O ensaio foi realizado segundo a norma ME 035/98 [7], desenvolvida pelo DNER Distribuição Granulométrica O método foi baseado na metodologia descrita na norma DNER - ME 083/98 [8] Densidade Para determinação das densidades real e aparente de agregado graúdo utilizou-se as normas ME 081/94 [9] e ME 084/94 [10] preconizada pelo DNER. 2.4 Avaliação da interação asfalto/brita Ensaio de adesividade O ensaio de adesividade foi realizado baseado no método DNER-ME [11], utilizandose cada um dos cinco CAPs e todos os agregados graúdos. Este ensaio avalia o deslocamento da película betuminosa que recobre o agregado, quando a mistura CAP-brita é imersa em água destilada a 40ºC durante 72 horas. Os resultados são caracterizados pelo deslocamento total, deslocamento parcial ou não deslocamento da película Ensaio de Adsorção O processo de interação CAP/agregados minerais foi realizado utilizando-se maciçamente o ensaio descrito em PI , desenvolvido por nosso grupo de pesquisas e com apoio do Centro de Tecnologia Mineral (CETEM). Dessa forma, pretende-se consolidar o ensaio desenvolvido, utilizando-se uma série de agregados minerais com análises químicas diferenciadas e comparar os resultados obtidos com a resistência mecânica de cada asfalto produzido com os respectivos agregados minerais e CAPs. A metodologia conta primeiramente com a elaboração de uma curva de calibração. Para tal, foram utilizadas soluções de CAPs,maltenos e asfaltenos de concentração 1,0% p/v, de onde se retiraram alíquotas para preparo de soluções com as seguintes concentrações: 0,0005 mg/l; 0,001 mg/l e 0,005 mg/l em tolueno. Essas soluções foram analisadas em um

4 espectrofotômetro de Ultravioleta visível, marca LAMOTTE, modelo SmartSpectro/spectrol, em comprimento de onda fixo em 402 nm [12], obtendo-se, assim, a curva de calibração (concentração inicial versus absorbância), para cada CAP e seus respectivos constituintes. A partir daí, foram obtidas as equações de reta que são empregadas nos ensaios de adsorção com os agregados minerais, a fim de se obter os valores de adsorção final. Nos ensaios de adsorção pesou-se 0,5 g de agregado mineral, britado e peneirado (diâmetro de partícula < 0,149 mm), respeitando-se as normas de dosagem Marshall estabelecidas pelo DNER [8], sendo colocados em 10 tubos de centrífuga. A cada tubo adicionou-se 25 ml de uma solução de concentração específica, sendo elas: 0,0005 mg/l; 0,001 mg/l; 0,0015 mg/l; 0,0025 mg/l; 0,005 mg/l; 0,0075 mg/l; 0,01 mg/l; 0,0125 mg/l; 0,015 mg/l e 0,02 mg/l. A seguir, os tubos foram agitados em mesa agitadora Shaker, marca Ika Labotechnik, modelo HS501 digital, durante quatro horas e 200 r.p.m.. Após esse período o material foi centrifugado durante 30 minutos a 3000 r.p.m., em centrífuga marca FANEM, modelo 209. Cada material sobrenadante foi analisado em espectrofotômetro de Ultravioleta - visível, em comprimento de onda fixo em 402 nm. Com isso, pode-se obter os valores de absorbância após a adsorção com os agregados minerais. De posse destes valores e de cada equação de reta, pode-se obter os valores das concentrações finais e, conseqüentemente, das adsorções que cada CAP ou seu constituinte teve com o agregado mineral. 2.5 Resistência mecânica em misturas asfálticas (LOTTMAN) Para avaliação da resistência mecânica utilizou-se os 3 corpos de prova pré-confeccionados. O primeiro corpo de prova foi avaliado quanto à resistência à tração por compressão diametral sem nenhum tipo de condicionamento. Os outros dois foram sujeitos a um processo de condicionamento especificado no método AASHTO T 283/89 [13], simulando a ação do intemperismo nos corpos de prova, como descrito a seguir: Submeteu-se os corpos de prova imerso em água, a uma pressão de vácuo de 25,4 cm a 66 cm de coluna de mercúrio por um período de cinco a dez minutos, para aumento do grau de saturação. O corpo de prova saturado foi revestido com filme plástico e colocado em sacos plásticos contendo aproximadamente 10 ml de água. As amostras foram resfriadas à temperatura de 18 ± 3ºC por 16 horas. Em seguida, as amostras foram retiradas da refrigeração, sendo uma analisada imediatamente quanto a resistência à tração por compressão diametral. A outra amostra, após o período de congelamento, foi imersa em banho à temperatura de 60 ± 1ºC por 24 horas. Posteriormente, a amostra foi removida para outro banho com temperatura de 25 ± 0,5ºC por um período de 2 ± 1 hora e então posteriormente submetida ao ensaio de resistência à tração por compressão diametral. O resultado do ensaio é obtido em percentual, sendo reportado pela relação entre a média dos valores de resistência à tração dos corpos de prova submetidos previamente ao condicionamento (RC) e a resistência dos corpos de prova sem condicionamento (RSC), como apresentado na equação 1. Razão de Resistência (%) = (RC/RSC). 100 [1]

5 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Avaliação dos agregados minerais Análise Mineralógica A tabela 1 apresenta os resultados da análise mineralógica realizada com os agregados minerais onde pode-se verificar uma alta concentração de feldspatos para o gnaisse, chegando-se a valores em torno de 65%, e quartzo em torno de 25%. Observa-se também um teor de mica em torno de 13%. Em relação ao basalto, verifica-se um alto teor de feldspato, chegando-se a valores em torno de 64%, seguido pelo baixo teor de quartzo, em torno de 2%, além de um teor de piroxênios, principalmente augita, em torno de 30%. Em relação ao calcário, observa-se uma alto percentual da forma calcítica, chegando-se a valores em torno de 97%, sendo observado apenas traços da forma dolomítica. Tabela 1- Composição Mineralógica dos Agregados Minerais. Minerais (%) Basalto Gnaisse Calcário Feldspato Quartzo Mica Piroxênios Calcita ,4 Dolomita , Análise Química Os resultados obtidos por difração de raios-x dos agregados minerais estão apresentados na tabela 2. Pode-se verificar que os agregados minerais (basalto e gnaisse) apresentam resultados muito semelhantes, apresentando um alto teor de sílica e alumina, em torno de 70 e 15%, respectivamente, com relações Si/Al em torno de 4,5, valor este compatível com a literatura para estes materiais [14]. Observa-se, no entanto, um maior teor de ferro para a rocha gnáissica, devido, possivelmente, a presença de mica, como apresentado na tabela 3.1. Em relação ao calcário, resultados bastante diferenciados são observados, se comparados aos resultados dos demais agregados minerais, podendo-se observar também um baixo teor de sílica e alumina. No entanto, observa-se um alto teor de cálcio e um baixo teor de magnésio, corroborando os resultados de análise mineralógica que caracterizavam tal minério como calcítico.

6 Tabela 2 - Análise Química dos Agregados Minerais. Composição (%) Gnaisse Basalto Calcário SiO 2 67,14 72,40 1,1 Al 2 O 3 14,92 16,54 0,22 K 2 O 5,18 6,69 0,045 Na 2 O 2,93 3,08 Traços Fe 2 O 3 4,4 2,49 0,61 CaO 1,91 7,51 54 TiO 2 0,03 3,17 Traços MgO 0,03 2,91 0, Índice de forma Para uso em misturas asfálticas, as partículas de agregados devem ser mais cúbicas que planas (chatas), finas ou alongadas. Em misturas compactadas, as partículas de forma angular exibem um maior intertravamento e atrito interno, resultando, conseqüentemente, uma maior estabilidade mecânica que as partículas arredondadas. Por outro lado, misturas que contém partículas arredondadas, tais como a maioria dos cascalhos naturais e areias, têm uma melhor trabalhabilidade e requerem menor esforço de compactação para se obter a densidade requerida. Esta facilidade de compactar não constitui necessariamente uma vantagem, visto que as misturas que são mais fáceis de compactar durante a construção podem continuar a apresentar problemas sob ação do tráfego, levando à deformações permanentes devido aos baixos índices de vazios e fluxo plástico [15]. No que diz respeito ao conjunto de agregados em estudo, todos apresentaram em torno de 60% de forma nem alongada nem achatada Abrasão Los Angeles O valor máximo de abrasão Los Angeles permitido para uso em misturas asfálticas é limitado pelas especificações pertinentes de 40% para algumas agências americanas a 60% para outras [15,16]. No que diz respeito ao conjunto de agregados em estudo, todos apresentaram valores inferiores a 40 % Distribuição Granulométrica Os resultados da distribuição granulométrica do conjunto de agregados minerais encontram-se ilustrados nas tabelas 3 à 5. Pode-se observar a adequação dos mesmos à faixa C, segundo as normas estabelecidas pelo DNIT [8].

7 Tabela 3- Distribuição Granulométrica dos Agregados Minerais Basálticos. Malhas Brita 1 Pedrisco Pó de Pedra +1/2 37, /2 + 3/8 54, / ,5 66,4-4# + 8# 0,4 32-8# + 16# -- 1, # + 30# # + 50# # + 80# # + 100# ,5-100# + 200# 0, ,4-200 # 0,25 1,2 8,2 Total 100 % 100% 100% Tabela 4 - Distribuição Granulométrica dos Agregados Minerais Gnáissicos. Malhas Brita 1 Pedrisco Pó de Pedra +1/2 66, /2 + 3/8 28,67 82,12 0-3/ ,2 7,42 0,05-4# + 8# 0,26 4,13 6,87-8# + 16# 0,08 0,94 7,27-16# + 30# 0,05 0,42 6,72-30# + 50# 0,15 0,72 14,96-50# + 80# 0,32 0,99 21,92-80# + 100# 0,14 0,35 6,94-100# + 200# 0,9 1,39 19, # 2,46 1,52 15,45 Total 100% 100% 100%

8 Tabela 5- Distribuição Granulométrica dos Agregados Minerais Oriundos do Calcário. Malhas Brita 1 Pedrisco Pó de Pedra +1/2 77, /2 + 3/8 21,6 91, / , # + 8# -- 1, # + 16# -- 0,2 23,4-16# + 30# -- 0,1 29,5-30# + 50# -- 0,1 3,6-50# + 80# -- 0,2 1,8-80# + 100# -- 0,1 2,5-100# + 200# -- 1,7 2,4-200 # 0,4 1,1 36,8 Total 100% 100% 100% Densidade Os resultados das densidades real e aparente dos agregados minerais encontram-se ilustrados na tabela 6. Pode-se verificar valores em torno de 2,7 g/ml para basalto, granito e gnaisse, indicando um comportamento similar para esses agregados. Segundo Kiehl [17], o valor médio para este tipo de rochas é da ordem de 2,65 g/ml, isto porque os constituíntes minerais principais dessas rochas, feldspato e quartzo, apresentam valores de densidade real em torno de 2,65 e 2,70 g/ml. No que diz respeito ao calcário, verificou-se um valor de densidade também em torno de 2,72 g/ml, porém dentro dos valores comumente encontrados na literatura, uma vez que a densidade da calcita é da ordem de 2,5 g/ml e da dolomita, de 1,9 g/ml e como a rocha se trata de um calcário calcítico, estima-se que a densidade obtida esteja relacionada a tal mineral [17]. Tabela 6- Resultados das Densidades Real e Aparente do Conjunto de Agregados Minerais. Agregado Mineral Densidade Real (g/ml) Densidade Aparente (g/ml) Basalto 2,76 2,68 Gnaisse 2,68 2,59 Calcário 2,72 2,68

9 3.2 Avaliação da interação asfalto/brita Ensaio de adesividade Com relação ao resultado de adesividade, pôde-se verificar um deslocamento total da película de qualquer um dos 5 CAPs à superfície do calcário. No que diz respeito ao basalto e ao gnaisse, verificou-se o não deslocamento da película. Tal fato pode estar relacionado com a composição química e mineralógica similar destes agregados, conferindo um melhor poder de adesão que o calcário. 3.2 Ensaio de adsorção Observa-se na figura 1 a adsorção dos CAPs à superfície do gnaisse, onde se verifica um processo mais efetivo por parte dos CAPs A e C à superfície do agregado mineral, chegando-se a valores máximos de adsorção, em torno de 4,0 mg/g, em uma concentração de CAP em torno de 18 mg/l. Tais resultados indicam que os CAPs A e C apresentarão melhor desempenho quando utilizados na mistura asfáltica com este agregado, pois apresentaram as melhores adsorções. Em relação aos resultados da adsorção dos CAPs à superfície do basalto, verifica-se na figura 2 um desempenho similar ao do gnaisse, devido, possivelmente a composição química e mineralógica similar. Adsorção (mg/g) Concentração CAP (mg/l) A B C D E Figura 1 - Adsorção de CAPs à superfície do gnaisse. Adsorção (mg/g) Concentração CAP (mg/l) A B C D E Figura 2 - Adsorção de CAPs à superfície do basalto.

10 A fim de se compreender melhor o processo de interação entre esses agregados (gnaisse e granito) e os CAPs, verificou-se o processo de adsorção entre os 5 CAPs e os minerais, feldspato e quartzo (figuras 3 a e b), que constituem os referidos agregados. Pode-se verificar altos valores de adsorção dos CAPs à superfície do feldspato, chegando-se a valores em torno de 6 mg/g e baixos valores de adsorção à superfície do quartzo (4 mg/g). Tais resultados indicam que a interação química entre os CAPs e a agregado é mais efetiva com o mineral feldspato. Adsorção (mg/g) Concentração Asfaltenos (mg/l) A B C D E (a) Adsorção (mg/g) Concentração Asfaltenos (mg/l) A B C D E (b) Figura 3 - (a) - Adsorção de CAPs na superfície do feldspato. (b) - Adsorção na superfície do quartzo. Em relação ao processo de adsorção dos CAPs à superfície do calcário, verifica-se na figura 4 um comportamento similar para todos os CAPs, observando uma baixa adsorção de todos à superfície do agregado, em torno de 3 mg/g. Quando verificado o processo de adsorção na superfície da calcita, mineral que compõe o calcário, verifica-se a causa de tal comportamento.

11 Tais resultados, figura 5, indicam que os agregados minerais sílico-aluminatos apresentam melhores resultados de adsorção e, conseqüentemente, maior desempenho na mistura asfáltica. Adsorção (mg/g) Concentração CAP (mg/l) A B C D E Figura 4 - Adsorção de CAPs na superfície do calcário. Adsorção (mg/g) Concentração de Asfaltenos (mg/l) A B C D E Figura 5 - Adsorção na superfície da calcita. 3.3 Resistência mecânica em misturas asfálticas (LOTTMAN) Com relação aos resultados de resistência mecânica das misturas asfálticas (tabela 7), pôde-se verificar que as misturas formadas pelos ligantes A e C, com qualquer um dos agregados apresentaram melhor desempenho. Tal fato já havia sido apontado nos ensaios de adsorção. Com relação ao comportamento do calcário, verifica-se um baixo desempenho, indicando ser um agregado não ideal para pavimentação. Este resultado corrobora o comportamento obtido para este agregado nos estudos de adsorção. Tabela 7 - Valores de razão de resistência mecânica (%) das misturas asfálticas. CAPS Agregados A B C D E Basalto 114,46 69,49 104,64 74,54 73,97 Gnaisse 130,0 66,78 98,7 77,34 64,3 Calcário 70,09 58,9 60,32 59,79 59,89

12 4. CONCLUSÕES Pode-se concluir que o feldspato contido nos agregados minerais é um dos responsáveis principais pela melhor adsorção dos ligantes em sua superfície. Tal fato afeta diretamente a resistência mecânica dos pavimentos e, conseqüentemente as suas condições de uso. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Silva, G.A. e Domingues, F.A.A., Aspectos sobre Alguns Métodos de Dimensionamento de Camadas de Reforço de Pavimento. In: 28 a Reunião Anual de Pavimentação, V. 1, Belo Horizonte, MG, Brasil, pp , [2] Bonfim, V., Fresagem de Pavimentos Asfálticos. 2 a ed., São Paulo: Fazendo Arte Editorial, [3] Albernaz, C.A.V. Método simplificado de retroanálise de módulos de resiliência de pavimentos flexíveis a partir da bacia de deflexão. Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, [4] Souza, G.D., Jatobá, L.L.B., Lyra, M.P., Restauração X Conservação. in: 23ª Reunião Anual de Pavimentação, Vol. 3, Florianópolis, SC, Brasil, pp , [5] Centro de Excelência em Asfalto da Petrobrás, folder, [6] ASTM D Partículas chatas e alongadas no agregado graúdo. [7] DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, Ministério dos Transportes, Brasil, ME 035/98 Agregados Determinação de abrasão Los Angeles, Rio de Janeiro, p. 6, [8] DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, Ministério dos Transportes, Brasil, ME 083/98 Agregados Análise Granulométrica, Rio de Janeiro, p. 3, [9] DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, Ministério dos Transportes, Brasil, ME 081/94 Agregado Determinação de densidade relativa, Rio de Janeiro, p.3, [10] DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, Ministério dos Transportes, Brasil, ME 084/94 Agregado Determinação de densidade relativa, Rio de Janeiro, p.3, [11] DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, Ministério dos Transportes, Brasil, ME Ensaio de adesividade, Rio de Janeiro, [12] Gonzales, G. e Middea, A., The properties of the calcite-solution interface in the presence of adsorbed resins or asphaltenes, Colloids and Surfaces, vol. 33, pp , [13] AASHTO T 283/89 LOTTMAN. Guide for Design of Pavement Structures. Washington, normas ASTM. [14] Dana, J. D., Manual de Mineralogia, São Paulo: EDUSP, vols. 1 e 2, [15] Roberts, F. L., Kandhal, P. S., Brown, E. R.; Lee D. Y. e Kennedy, T. W., Hot mix asphalt materials, mixture design and construction, in: NAPA Research and Education Foundation, Lanham, Maryland, [16] Marques, G. L. O., Procedimentos de avaliação e caracterização de agregados minerais usados na pavimentação asfáltica, in: I Seminário de Qualificação ao Doutorado, COPPE- UFRJ, Rio de Janeiro, [17] Kiehl, J. E., Manual de Edafologia: Relações Solo-Planta, São Paulo: Editora Agronômica Ceres, p. 264, 1979.