Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2015/16

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1 Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2015/16 Tema: Avaliação da toxicidade resultante da utilização de resíduos nas misturas betuminosas Aluno(a): Daniela Filipa Oliveira Sousa Número do Aluno(a): Orientador(a): Hugo Manuel Ribeiro Dias da Silva Co-orientador(a): Joel Ricardo Martins Oliveira 1. Introdução A crescente necessidade de se construir de forma sustentável, conduz-nos a melhorar as tecnologias disponíveis, bem como a desenvolver produtos que possibilitem a redução de matérias-primas virgens. Aliada a este fator, está também a diminuição das reservas de petróleo, o que nos leva a desenvolver soluções que sejam possíveis integrar nos pavimentos rodoviários e que ainda assim não prejudiquem o meio ambiente. De forma a utilizar pouca quantidade destes recursos, e ainda melhorar as propriedades das misturas betuminosas, surge a modificação do betume com resíduos. A possibilidade de utilização de polímeros reciclados em vez de virgens na modificação de betumes conduz a um conjunto de vantagens ecológicas e económicas. Segundo Fuentes-Audén et al. (2007),o desempenho dos ligantes e das misturas betuminosas modificadas com polímeros reciclados é análogo ao observado com polímeros virgens. No que diz respeito aos resíduos plásticos usados na modificação de betumes para a pavimentação rodoviária, destacam-se os seguintes: polietileno de baixa densidade (PEBD) (García-Morales et al., 2006), o polietileno de alta densidade (PEAD) (Hınıslıoğlu e Ağar, 2004), o polipropileno (PP) (Casey et al., 2008), o etileno-acetato de vinilo (EVA) ( ar ıa-morales et al., 2004), o acrilonitrila butadieno estireno (ABS) (Casey et al., 2008), o polietileno tereflalato (PET) (Ahmadinia et al., 2012) e o policloreto de vinilo (PVC) (Kalantar et al., 2012). Porém, tem-se verificado que nem todos estes resíduos são adequados para a modificação de betumes. Estudos anteriores referem que é possível substituir uma parte do betume por mais um resíduo, neste caso por óleo de motor usado, aumentando assim também as vantagens económicas e ambientais das misturas betuminosas. Fuentes-Audén et al. (2007) estudaram a formulação de ligantes sintéticos obtidos a partir da mistura de polímeros, resinas e óleos nafténicos. Segundo Lesueur (2009) e Silva et al. (2012) já se utiliza o óleo lubrificante como rejuvenescedor na pavimentação rodoviária. A adição de óleo de motor reduz as temperaturas da mistura e compactação bem como diminui a viscosidade do betume (Silva et al., 2012). Um dos grandes problemas da atualidade continua a ser a escassez de recursos não renováveis e nos pavimentos rodoviários não é exceção. Para dar resposta a este fator e ainda associada à questão ambiental, surge então a reciclagem de pavimentos degradados (material fresado). De acordo com a EPA, a melhor maneira de reduzir os resíduos é não os criar, ou seja, a reutilização de materiais é a maneira mais eficaz de salvar os recursos naturais, proteger o ambiente e ainda reduzir os custos. A temática da sustentabilidade na pavimentação rodoviária, nem sempre acarreta só vantagens. Um dos aspetos negativos da inclusão de resíduos nas misturas betuminosas é não saber ao certo o nível de toxicidade resultante da mistura. Estudos anteriores referem que a utilização de alguns resíduos, nomeadamente os cerâmicos, provocam a libertação de poluentes prejudiciais (crómio e sulfato) para o meio ambiente (Del Rey et al., 2015). Schwab et al. (2014) referem que a reutilização de resíduos na construção, substituindo assim as matérias-primas, pode ser prejudicial para as águas subterrâneas, uma vez que podem conter metais pesados. Segundo Pernagorda (2007) os metais pesados mais relevantes no setor rodoviário são cobre (Cu), chumbo (Pb), zinco (Zn), cádmio (Cd), níquel (Ni) e crómio (Cr). Estes metais podem ser transportados pela água, ar e solo podendo mesmo entrar nas plantas e posteriormente nos animais e assim chegar até aos corpos humanos. Desta forma, facilmente começam a existir problemas de saúde e ainda efeitos adversos no ambiente. De acordo com a Agência Europeia do Ambiente os metais pesados são prejudicais para a saúde humana face ao potencial em provocar cancro, devido à sua toxicidade e à capacidade de causar efeitos nocivos (EEA 2015). O setor dos transportes rodoviários continua a ser uma importante fonte de emissões de gases poluentes a diversos fatores, entre os quais se destaca, o chumbo residual presente nos combustíveis, nos lubrificantes de motores e o desgaste dos travões (EEA 2015). 1

2 2. Objetivos O principal objetivo deste trabalho consiste na avaliação da toxicidade de misturas betuminosas convencionais e de misturas que contêm resíduos, tais como óleo de motor usado, plásticos e material fresado. Deste modo, pretende-se estudar a viabilidade técnica e ambiental da mistura destes resíduos para que não seja prejudicial para a saúde humana nem para o meio ambiente e ao mesmo tempo apresente bons resultados mecânicos. Pretende-se avaliar também a emissão de gases poluentes, nomeadamente, metais pesados, resultante do processo de fabrico bem como da aplicação destas misturas. Para tal, será necessário realizar ensaios de lixiviação tanto às misturas convencionais como às misturas contendo óleo de motor usado e PEAD. 3. Metodologia Para este trabalho, o betume a utilizar será um 35/50 e deverá ser caraterizado através de ensaios de penetração a 25ºC, temperatura de amolecimento, resiliência e viscosidade dinâmica. De acordo com a norma EN 1426, o Ensaio de Penetração a 25ºC permite determinar a rigidez e classificar o betume para temperaturas de serviço. Relativamente ao ensaio de Temperatura de Amolecimento (método do anel e bola), a norma EN 1427 refere que este indica a temperatura à qual o betume sofre uma mudança de fase que reduz a sua resistência à deformação. O ensaio de Resiliência (penetração e recuperação) permite obter a recuperação elástica que o betume modificado possui após a aplicação de uma carga à temperatura de serviço (EN ). O ensaio de Viscosidade Dinâmica (EN 13302) possibilita a determinação da resistência à deformação diferencial do betume a temperaturas mais elevadas. Em relação à análise das misturas, deve-se realizar ensaios que avaliem as propriedades mecânicas dos ligantes, verificando assim a sua aplicabilidade para a pavimentação rodoviária. Assim, foram realizados o ensaio de sensibilidade à água bem como o ensaio à deformação permanente. Segundo a Norma EN , o ensaio de sensibilidade à água consiste em avaliar a resistência à água das misturas betuminosas. Quanto ao ensaio de deformação permanente, este pode ser realizado de diversas formas, sendo possível determinar a resistência através de cargas estáticas ou cargas rolantes. Para este trabalho, foi realizado o ensaio Wheel Tracking Test, para a análise da resistência à deformação permanente. De acordo com a Norma EN , este ensaio permite determinar a suscetibilidade das misturas betuminosas à deformação sob cargas repetidas a temperaturas de serviço mais altas. Relativamente à caraterização dos materiais, os óleos serão caraterizados através do Ensaio de Viscosidade Dinâmica, que segundo a norma EN 13302, permite avaliar o seu comportamento a diferentes temperaturas. Será ainda realizada uma análise termogravimétrica (TGA), que consiste na avaliação da perda de massa às temperaturas de produção dos ligantes e da mistura. Ainda na caraterização dos materiais será realizada uma análise de lixiviados tanto às misturas como aos óleos. A análise de lixiviados, segundo a norma EN , consiste em colocar o material (neste caso a mistura betuminosa) em contacto com um lixiviante (água destilada) e posteriormente serão extraídos alguns constituintes do material. Para obter a análise de lixiviados de um óleo, o processo é um pouco diferente, uma vez que este teste apenas é realizável para materiais sólidos. Sendo assim, incorporou-se óleo de motor usado numa mistura e fez-se a respetiva análise. O material fresado deverá ser caraterizado quanto à sua granulometria (NP EN 933-1), teor em betume (EN ) e caraterização básica do betume envelhecido. Para este trabalho, o polímero a utilizar é o polietileno de alta densidade (PEAD) e será caraterizado quanto à sua dimensão. A escolha deste polímero prende-se com o facto de ser um dos plásticos com a mais alta produção e em termos de custos, é um dos mais baratos. De acordo com Hınıslıoğlu e Ağar (2004) misturas modificadas com este tipo de resíduo apresentam uma melhor resistência à deformação e ainda ajudam a proteger o meio ambiente. 2

3 4. Resultados Esperados Ao longo dos últimos anos, tem-se assistido à modificação do betume através de polímeros. Segundo Dehouche et al. (2012) esta é uma das práticas mais comuns para melhorar as características do betume. De acordo com estudos anteriores, (Kamaruddin et al., 2014, Lesueur, 2009) o óleo de motor usado pode ser adicionado ao betume com o objetivo de o rejuvenescer, adquirindo assim as suas características iniciais. As alterações mencionadas apresentam funcionalidades diferentes na modificação do betume. Quando se adiciona polímeros (neste caso PEAD) numa mistura betuminosa, esta apresenta um aumento significativo da sua estabilidade bem como durabilidade e apresenta ainda bons resultados à fadiga (Ahmadinia et al., 2011). Outros autores referem ainda que há uma melhoria na resistência a médias e elevadas temperaturas, o ponto de amolecimento aumenta e a resistência da mistura à ação e alteração da temperatura também aumenta ((Hınıslıoğlu e Ağar, 2004), Al-Hadidy e Yi-qiu (2009)). Relativamente ao óleo de motor usado, este é usado na pavimentação rodoviária com o objetivo de rejuvenescer o betume e ainda prevenir o envelhecimento deste (Lesueur (2009), Christopher D. DeDene (2014)). Quanto à adição de material fresado nas misturas betuminosas, Chiu et al. (2008) concluíram que a vida útil deste tipo de mistura é idêntica à vida útil de uma mistura convencional. Uma das vantagens deste tipo de mistura é o seu baixo custo de produção e ainda a elevada taxa de percentagem nas novas misturas. 5. Faseamento e Calendarização 5.1 Faseamento A primeira fase passa pela pesquisa bibliográfica, já iniciada com o Plano de Trabalhos. Esta etapa será realizada em simultâneo com a segunda fase, e nas últimas semanas onde ocorre a escrita da dissertação. A segunda fase passa pela caraterização dos materiais. Nesta caraterização, os óleos serão analisados através da sua viscosidade, através da análise termogravimétrica (TGA) e ainda serão realizadas análises de lixiviados. O polímero a utilizar é o polietileno de alta densidade (PEAD) e será caraterizado quanto à dimensão. Relativamente ao betume, este será um 35/50 e deverá ser caraterizado através de ensaios de penetração a 25ºC, temperatura de amolecimento, resiliência e viscosidade dinâmica. O material fresado deverá ser caraterizado quanto à sua granulometria, teor em betume e caraterização básica do betume envelhecido. A terceira fase é a modificação do betume convencional com óleo de motor usado e com polietileno em diferentes percentagens. Estes ligantes deverão ser caraterizados através dos ensaios utilizados na caraterização do betume convencional. Posteriormente os betumes modificados deverão ser adicionados a 50% de betume envelhecido e caraterizados. Os ligantes finais com melhores características deverão ser utilizados na produção de misturas betuminosas. Relativamente à quarta fase, será realizada a produção das misturas, tendo em conta que para este estudo serão analisadas dois tipos de misturas. Uma mistura será a convencional e uma outra contendo a melhor combinação do polímero PEAD e do óleo de motor usado. Associada à produção, deverão ser avaliadas as propriedades mecânicas das misturas produzidas através do Ensaio de Sensibilidade à Água segundo a EN , e pelo Ensaio de Deformação Permanente (Wheel Tracking Test) segundo a NP A quinta fase passa pela análise ambiental, onde serão realizados ensaios de lixiviação e avaliação das emissões gasosas com o intuito de se avaliar até que ponto é possível introduzir resíduos nas misturas sem se tornar prejudicial tanto para o homem como para o meio ambiente. Os ensaios de lixiviação serão realizados segundo a norma EN ( (2002)). A incorporação de resíduos nas misturas pode acarretar algumas desvantagens, entre as quais se destaca a poluição do solo, através das escorrências rodoviárias e ainda a emissão de poluentes tóxicos. Na penúltima fase será efetuada a análise dos resultados dos ensaios realizados. No entanto, esta fase tem início na segunda fase e apresenta continuidade nas restantes. A última fase passa pela escrita da dissertação, que deve ser contínua e iniciar-se na primeira fase. De forma mais resumida, é possível esquematizar as várias etapas a realizar: 3

4 I. Pesquisa bibliográfica; II. Caracterização dos materiais; III. Preparação e caracterização dos ligantes modificados; IV. Produção e caracterização das misturas; V. Análise ambiental; VI. Análise de resultados; VII. Escrita da Dissertação. 5.2 Calendarização O plano de trabalhos conducente à Dissertação terá início em março de 2016, apresentando-se de seguida, sob a forma de cronograma dividido em semanas de trabalho, o tempo previsto para a realização de cada uma das fases identificadas na subsecção anterior. Fase I X X X Tempo (semanas) Fase II X X X X X Fase III X X X X Fase IV X X X X X Fase V X X X X X Fase VI X X X X X X X X X X X X X Fase VII X X X X X X X X X X X X X X Nota: O cronograma apresentado reflete a disposição temporal das fases e respetivas atividades a desenvolver pelo aluno durante o 2ºsemestre, admitindo que a Dissertação será entregue até meados de Junho e será defendida em Julho. Porém, de acordo com Despacho RT-16/2015, que aprova o calendário escolar para o ano letivo de , a data limite para entrega da Dissertação é dia 31 de Outubro de Referências Bibliográficas Ahmadinia, E., Zargar, M., Karim, M.R., Abdelaziz, M., Ahmadinia, E. (2012). Performance evaluation of utilization of waste Polyethylene Terephthalate (PET) in stone mastic asphalt, Construction and Building Materials, Vol. 36, pp Ahmadinia, E., Zargar, M., Karim, M.R., Abdelaziz, M., Shafigh, P. (2011). Using waste plastic bottles as additive for stone mastic asphalt, Materials & Design, Vol. 32 (10), pp Al-Hadidy, A.I., Yi-qiu, T. (2009). Effect of polyethylene on life of flexible pavements, Construction and Building Materials, Vol. 23 (3), pp Casey, D., McNally, C., Gibney, A., Gilchrist, M.D. (2008). Development of a recycled polymer modified binder for use in stone mastic asphalt, Resources, Conservation and Recycling, Vol. 52 (10), pp Chiu, C.-T., Hsu, T.-H., Yang, W.-F. (2008). Life cycle assessment on using recycled materials for rehabilitating asphalt pavements, Resources, Conservation and Recycling, Vol. 52 (3), pp

5 Christopher D. DeDene, Z.Y. (2014). <The Performance of Aged Asphalt Materials Rejuvenated with Waste.pdf>. Dehouche, N., Kaci, M., Mokhtar, K.A. (2012). Influence of thermo-oxidative aging on chemical composition and physical properties of polymer modified bitumens, Construction and Building Materials, Vol. 26 (1), pp Del Rey, I., Ayuso, J., Galvín, A.P., Jiménez, J.R., López, M., García-Garrido, M.L. (2015). Analysis of chromium and sulphate origins in construction recycled materials based on leaching test results, Waste Management, Vol. 46, pp Fuentes-Audén, C., Martínez-Boza, F.J., Navarro, F.J., Partal, P., Gallegos, C. (2007). Formulation of new synthetic binders: Thermo-mechanical properties of recycled polymer/oil blends, Polymer Testing, Vol. 26 (3), pp García-Morales, M., Partal, P., Navarro, F.J., Gallegos, C. (2006). Effect of waste polymer addition on the rheology of modified bitumen, Fuel, Vol. 85 (7 8), pp Boza, F., Gallegos, C., González, N., González, O., Muñoz, M.E. (2004). Viscous properties and microstructure of recycled eva modified bitumen, Fuel, Vol. 83 (1), pp H ğ u S Ağ E. (2004). Use of waste high density polyethylene as bitumen modifier in asphalt concrete mix, Materials Letters, Vol. 58 (3 4), pp Kalantar, Z.N., Karim, M.R., Mahrez, A. (2012). A review of using waste and virgin polymer in pavement, Construction and Building Materials, Vol. 33, pp Kamaruddin, N.H.M., Hainin, M.R., Hassan, N.A., Abdullah, M.E. (2014). Rutting Evaluation of Aged Binder Containing Waste Engine Oil, Advanced Materials Research, Vol. 911, pp Lesueur, D. (2009). The colloidal structure of bitumen: Consequences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification, Advances in Colloid and Interface Science, Vol. 145 (1 2), pp Pernagorda, P.J.R. (2007). Phd Thesis Paulo Ramísio. Schwab, O., Bayer, P., Juraske, R., Verones, F., Hellweg, S. (2014). Beyond the material grave: Life Cycle Impact Assessment of leaching from secondary materials in road and earth constructions, Waste Management, Vol. 34 (10), pp Silva, H.M.R.D., Oliveira, J.R.M., Jesus, C.M.G. (2012). Are totally recycled hot mix asphalts a sustainable alternative for road paving?, Resources, Conservation and Recycling, Vol. 60, pp EEA (2015). Data and maps Heavy metal emissions Acedido em