Renee Lauret Cosme. Angelo Altoé. Eduardo Gottardi. Jamilla Lutif. João Luiz Calmon

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1 PREVISÃO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE CONCRETOS ASFÁLTICOS A PARTIR DA ANÁLISE DAS PROPRIEDADES REOLÓGICAS DE MÁSTIQUES COM FÍLER DE RESÍDUO DE BENEFICIAMENTO DE ROCHAS ORNAMENTAIS E ESCÓRIA DE ACIARIA Renee Lauret Cosme Angelo Altoé Eduardo Gottardi Jamilla Lutif João Luiz Calmon

2 ANÁLISE DAS PROPRIEDADES REOLÓGICAS DE MÁSTIQUES COM FÍLER DE RESÍDUO DE BENEFICIAMENTO DE ROCHAS ORNAMENTAIS E ESCÓRIA DE ACIARIA Renee Lauret Cosme Angelo Altoé Eduardo Valadares Gottardi Jamilla Emi Sudo Lutif Teixeira João Luiz Calmon Nogueira da Gama Universidade Federal do Espírito Santo Departamento de Engenharia Civil RESUMO As indústrias de rochas ornamentais e produção de aço no estado Espírito Santo têm gerado um grande volume de resíduos durante o processo de extração e corte de rochas ornamentais e na produção do aço. Os rejeitos produzidos pela extração das rochas em sua grande maioria são depositados em lagoas de decantação e aterros provocando impacto ambiental negativo no meio ambiente. As escórias de aciaria, subproduto gerado durante a produção do aço, tem cerca de 30% da produção brasileira e 20% da produção mundial não reaproveitadas, tendo como destino extensas áreas dos parques industriais. No presente trabalho foi feito um estudo objetivando reaproveitar tais resíduos como fíler em misturas asfálticas avaliando os efeitos da adição destes rejeitos nas propriedades químicas, físicas e reológicas de mástiques asfálticos. Os materiais utilizados foram Resíduos Beneficiamento de Rochas Ornamentais (RBRO), Escória Moída de Aciaria (EMA) e o ligante asfáltico CAP 50/70. Foram avaliadas amostras de mástiques com adição destes rejeitos para as relações filer/betume de 0,36. Os resultados demonstram que adicionando os resíduos ao ligante asfáltico proporcionam uma melhoria em suas propriedades reológicas com um aumento do G* e com uma diminuição do ângulo de fase, tornado o ligante menos susceptíveis a deformação permanente e a fadiga. PALAVRAS-CHAVE: Mástique Asfáltico, Reologia, Resíduos de Rochas, Escória de aciaria. ABSTRACT The industries of ornamental stones and production of steel in the state Espirito Santo have been generating a large volume of residues during the extraction process and cut of ornamental stones and in the production of the steel. The wastes produced by the extraction of the stones in it majority are deposited in decantation areas and embankments provoking negative impact in the environment. The slag, generated during the steelmaking, it has about 30% of the Brazilian production and 20% of the world production not reused, being disposed in extensive areas of industrial parks. In the present paper it was made a study aiming at the reuse such residues as filler in asphalt mixes evaluating the effects of the addition of these subproducts in the chemical, physics and rheological properties of mastics. The used materials were Residues of Ornamental stones, slag and the bitumen binder 50/70. Asphalt mastics with addition of those rejects in the filler/bitumen proportion of 0.36 were produced and rheological parameters were analyzed. The results demonstrate that added the residues to the asphalt binder provides an improvement in their rheological properties with an increase of G * and with a decrease of the phase angle, turned the binder less vulnerable the permanent deformation and fatigue. KEY WORDS: Asphalt Mastic, Rheology, Ornamental Stones Wastes, Steel Slag. 1. INTRODUÇÃO É sabido que o Brasil possui uma imensa quantidade de riquezas minerais com grande potencial exportador, destacando-se, o setor de rochas ornamentais e de mineração. De acordo com a Abirochas (2012), o país ocupa a 8ª colocação no ranking mundial de exportação de blocos, e a 5ª em exportação de rochas ornamentais acabadas. Atualmente, o mercado de rochas no país movimenta cerca de 2,1 bilhões de dólares por ano. Quanto à produção de aço, o Brasil, em 2013, teve uma produção de cerca de 34,5 milhões de toneladas de aço bruto, tornando-se o 17º Exportador mundial de aço (exportações diretas), 6º maior exportador líquido de aço e com um saldo comercial de US$ 1,3 bilhões segundo o Instituto Aço Brasil 1

3 (IAB, 2014). O Espírito Santo é referência mundial na produção de mármore e granito, é líder absoluto na produção nacional de rochas, apresenta um potencial geológico imensurável com a maior reserva de mármore do país, é responsável por 50% da produção de todo o mercado nacional e por 65% das exportações brasileiras. O estado conta com cerca de 900 teares em operação no Estado, o que representa em torno de 69% dos teares instalados no Brasil (ABIROCHAS, 2012). Em relação a produção de aço, o Estado possui uma produção de 7,5 milhões de toneladas de aço/ano, o que corresponde a 3% do volume global comercializado de placas de aço e, ainda, é 3º maior produtor brasileiro de aços planos laminados, segundo a siderúrgica ArcelorMittal Tubarão (2014). Diante deste cenário, as indústrias de rochas ornamentais e produção de aço no estado Espírito Santo têm gerado um grande volume de resíduos durante o processo de extração e corte de rochas ornamentais e na produção do aço. Alguns estudos apontam o reaproveitamento destes rejeitos como material alternativo em várias áreas e aplicações, tais como agregados em misturas asfálticas (Lanzellotti et al., 2005) e (Castelo Branco, 2004), em tratamento superficial (Rocha, 2011), em misturas de módulo elevado (Freitas, 2007), em base (Marcaccini, 2009), como para produção de blocos intertravado (MOURA et al., 2006). 2. OBJETIVOS Investigar a influência da incorporação de resíduos de beneficiamento de rochas ornamentais e escória moída de aciaria nas propriedades reológicas de mástiques; analisar as interações que ocorrem entre estes rejeitos e o ligante asfáltico. Para tanto, será feita a determinação das propriedades reológicas dos mástiques com adição de fíler na proporção f/b (fíler/betume) de 0,36 através de ensaios de varredura de deformação e varredura de frequência. Os resultados aqui obtidos serão correlacionados com o comportamento mecânico de misturas asfálticas para verificar a influência dos mástiques na resposta mecânica de concretos. 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Segundo Bretas e D Ávila (2000), reologia é a ciência que estuda o fluxo e a deformação da matéria e analisa as respostas (deformações ou tensões) de um material provocadas pela aplicação de uma tensão ou uma deformação. O material pode estar tanto no estado líquido como no estado gasoso ou sólido. Materiais de elevado peso molecular, como os CAP s, possuem um comportamento viscoelástico, que se caracteriza por apresentar ao mesmo tempo características de materiais sólidos e de materiais líquidos. A caracterização das propriedades reológicas do ligante asfáltico deve ser realizada ao longo de toda a faixa de temperaturas e/ ou de tempos de carregamento a que o pavimento pode ser submetido ao longo da sua vida em serviço. Nas altas temperaturas, o ligante asfáltico se comporta como um líquido viscoso, a baixas temperaturas se comporta como sólido elástico, e em temperaturas intermediárias, exibe características tanto de um líquido viscoso quanto de um sólido elástico (Yildirim et al., 2000). É necessário se conhecer as condições nas quais os CAP s se comportam como materiais viscoelásticos lineares para que se possa obter os parâmetros viscoelásticos, tais como módulo de cisalhamento dinâmico (G*), ângulo de fase (δ), módulo elástico (G ) recuperável e o módulo viscoso (G ) não recuperável, já que estes são definidos dentro de uma região de 2

4 viscoelasticidade linear. Várias publicações tratam da importância de se estudar os limites da linearidade dos ligantes betuminosos, principalmente se forem modificados por polímeros (Collins et al., 1991) A adição de fíler provoca modificações no comportamento reológico do mástique asfáltico, com o aumento do módulo de cisalhamento dinâmico e redução do ângulo de fase. Os efeitos são mais significativos e favoráveis em temperaturas altas, aumentando a rigidez do ligante, que tem módulo de cisalhamento dinâmico menor nessa faixa de temperatura. Porém, a baixas temperaturas, o fíler aumenta ainda mais a rigidez do ligante asfáltico, com redução da capacidade de relaxar tensões. A adição de fíler mineral ao ligante asfáltico provoca um aumento do parâmetro G*/senδ, o que, segundo a Especificação Superpave, é favorável por aumentar a resistência do ligante à deformação permanente; porém, também provoca um aumento do parâmetro G*senδ, sendo desfavorável em relação ao dano por fadiga sob deformação controlada (Bahia, 1995). As propriedades reológicas do mástique são resultado da combinação das características elástica, viscoelástica ou viscosa do ligante asfáltico e da natureza elástica do fíler mineral, o que afeta as propriedades mecânicas da mistura asfáltica composta por esses materiais. Com isso, o estudo das propriedades reológicas do mástique permite avaliar como esse componente pode afetar as propriedades da mistura asfáltica (Bechara et al., 2008). Hoje, os estudos reológicos em mástiques são realizados em amostras semelhantes àquelas usadas em estudos de ligantes asfálticos puros ou modificados, ou na forma de corpos de prova cilíndricos em miniatura, que podem ser moldados ou extraídos de corpos de prova maiores (Castelo Branco, 2008). Para o ensaio destas amostras, equipamentos específicos, chamados reômetros, são utilizados. Muitos estudos têm sido empregados para caracterização reológica de ligantes e mástiques (Anderson et al., 1992 e 2010; Airey, 2003; Bardini, 2013; Bahia et al., 2001; Bahia e Hanson, 2000; Bechara et al. 2008; D angelo e Dongre, 2009; Faxina et al, 2009) Domingos (2011) fez um importante estudo na caracterização do comportamento fluênciarecuperação de ligantes asfálticos virgens e envelhecidos em ligante asfálticos modificados por copolímeros. O ensaio de MSCR (Multiple Stress Creep and Recovery), segundo procedimento da norma ASTM D7405, foi utilizado neste estudo para caracterizar o comportamento fluência-recuperação. O cimento asfáltico+elvaloy+ácido polisfosfórico apresentou o melhor desempenho nas propriedades e parâmetros analisados. Por sua vez, o ligante com polietileno apresentou o pior desempenho dentre os materiais estudados. Geralmente, os estudos reológicos em mástiques são realizados em amostras semelhantes àquelas usadas em estudos de ligantes asfálticos puros ou modificados ou na forma de corpos de prova cilíndricos em miniatura, que podem ser moldados ou extraídos de corpos de prova maiores (Coutinho, 2012; Castelo Branco, 2008). 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 Materiais Cimento Asfáltico de Petróleo - CAP 3

5 O cimento asfáltico utilizado nesta pesquisa é classificado como CAP 50-70, de acordo com pela Agência Nacional de Petróleo, Gás e Energia (ANP) de Optou-se pelo uso do CAP 50-70, por ser o ligante de maior utilização no país, produzido pela Refinaria Gabriel Passos (REGAP). Tabela 1: Resultados da caracterização do CAP Resíduos de Beneficiamento de Rochas Ornamentais (RBRO) O Resíduo de Beneficiamento de Rochas Ornamentais (RBRO) utilizado nesta pesquisa foi coletado em uma empresa de desdobramento de blocos de rocha, Granriva Granitos, localizada na cidade de Colatina (ES). O processo de geração de resíduos consiste em: os resíduos eliminados no processo de corte dos blocos são encaminhados através de canaletas ou tubulações aos silos de armazenagem e decantação. Em seguida, são levados ao filtro prensa, para diminuir seu teor de umidade assim, parte da água retirada do resíduo é tratada e reaproveitada no processo retornando por bombeamento, ficando o resíduo com umidade reduzida, em torno de 20%, estocado nos pátios das empresas. Para a presente pesquisa, o material foi coletado e encaminhado ao Laboratório de Materiais de Construção (LEMAC) da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Em laboratório, o resíduo foi submetido à secagem em estufa (105 C) e posteriormente destorroado com auxílio do almofariz e da mão-de-grau. Após esse processo, o resíduo passou pela peneira de malha quadrada com abertura de 0,075 mm, atendendo plenamente à especificação em vigor no DNIT para materiais de enchimento ou fíler, conforme do DNER-EM 367/97 (DNER, 1997). A amostra foi homogeneizada, quarteada e estocada em sacos plásticos. Na Figura 1, apresenta-se uma parte da amostra do Resíduo de Beneficiamento de Rochas Ornamentais, na Figura 2, a granulometria das partículas feitos através do ensaio de difratometria a laser, e na Figura 3, os elementos químicos mais comuns encontrados no resíduo feito através de ensaio de difração de raio X. Figura 1: Amostra do Resíduo de Beneficiamento de Rochas Ornamentais 4

6 Figura 2: Diâmetro das partículas de Rochas Ornamentais Figura 3: Características Químicas das partículas de resíduo de Granito Escórias de Aciaria A escória de aciaria utilizada foi Escória de Aciaria com Redução de Expansão - ACERITA, fornecida pela ArcelorMittal. A empresa está localizada em Jardim Limoeiro, Serra, próxima ao Porto de Praia Mole, na região da Grande Vitória - ES. ACERITA é um coproduto siderúrgico que depois de britado e separado em faixas granulométricas adequadas, é submetido a um tratamento para redução de expansão. Esse processo consiste em "estimular" a reação dos óxidos livres a partir de reação dos mesmos com o ar e a água, através de um processo de umectação e aeração da escória durante certo período de tempo. Durante o período de tratamento para a redução da sua capacidade de expansão, a escória de aciaria é permanentemente monitorada através de ensaios de laboratório e testes previstos pelas normas do DNIT para utilização em base e sub-base dos pavimentos rodoviários. Ao atingir um valor de expansão que atenda as normas técnicas, o processo é interrompido e o 5

7 material é disponibilizado para o mercado com o nome de ACERITA - Escória de Aciaria com Redução de Expansão. As amostras de ACERITA foram coletadas e enviadas ao LEMAC-UFES, onde foram submetidas a secagem em estufa (105 C), moídas através do moinho de argolas, com o objetivo de reduzir o diâmetro de suas partículas, peneirado em peneira de malha quadrada de abertura 0,075mm, homogeneizada, quarteada e estocada em sacos plásticos. A textura final do resíduo pronto para aplicação na mistura pode ser visualizada na Figura 4, já na Figura 5, pode-se notar a granulometria das partículas feitos através do ensaio de difratometria a laser, e, por fim, na Figura 6, os elementos químicos mais comuns encontrados nas partículas de Escória Moída de Aciaria feito através de ensaio de difração de raio X. Figura 4: Amostra da Escória Moída de Aciaria. Figura 5: Diâmetro das partículas de Escória Moída de Aciaria 6

8 Figura 6: Características Químicas das partículas de Escória Moída de Aciaria Mástiques Um dos objetivos desse trabalho é correlacionar os resultados obtidos através da avaliação das propriedades reológicos de mástiques com os resultados encontrados no estudo proposto por Gottardi et al. (2013), onde foi verificado a influência do fíler no comportamento mecânico de concretos asfálticos produzidos com a incorporação de Resíduos de Beneficiamento de Rochas Ornamentais (RBRO) e de Escória Moída de Aciaria (EMA), e ambos os resíduos incorporados simultaneamente nas proporções 50%-50%, através de ensaios de estabilidade e fluência Marshall, resistência à tração por compressão diametral, desgaste Cântabro e dano por umidade (Ensaio de Lottman Modificado). No estudo de Gottardi et al. (2013), utilizou-se a relação f/b de 0,36, conforme Tabela 2. Tabela 2 - Percentual de material para formação dos mástiques estudados Materiais EMA RBRO 50%EMA/50%RBRO Teor de CAP (%) 5,21 5,21 5,17 Fíler 1,90 1,90 1,90 f/b 0,36 0,36 0,36 Fonte: Adaptado de Gottardi et al. (2013). No estudo realizado por Magalhães (2004), o autor revela que a FHWA (Federal Highway Administration) determina valores entre 0,6 e 1,2 (AASHTO MP2-01) para a proporção fíler/ligante, de maneira geral nos casos em que a granulometria passe abaixo da zona restrita os limites podem ser alterados para 0,8 a 1,6. Recomenda-se que quanto mais fino o pó, mais baixo deva ser esta relação e como a granulometria do fíler de cimento Portland está numa faixa intermediária se comparada com os outros tipos de fíleres convencionais (pó calcário, cal hidratada e pó de pedra) pode-se considerar que o mastigue formado pela mistura em estudo está próximo do limite superior dos valores recomendáveis. 7

9 No presente estudo, iniciou-se a análise da relação f/b de 0,36 para verificação das propriedades reológicas. Os mástiques foram produzidos utilizando um misturador mecânico. Outras proporções f/b serão estudadas futuramente para complementar este estudo Métodos Para a realização dos ensaios oscilatórios (varredura de deformação e frequência), foi utilizado um reômetro rotacional modelo AR 2000ex (TA Instruments), Figura 7. Existem diversos tipos de geometria para a realização do ensaio oscilatório. Será escolhida a geometria de placas paralelas, que possui diâmetro de 8 mm e espaçadas de 2 mm, que é uma das geometrias utilizadas em normas internacionais. Para manter as amostra nas temperaturas de ensaio de 10, 25 e 40 o C, utilizou-se um dispositivo protetor (peltier). Figura 7: Reômetro rotacional com geometria de placas paralelas com Peltier Ensaio Oscilatório de varredura de deformação Ensaio que foi realizado com a oscilação da a amplitude de deformação entre 10-4 e 10-2 nas frequências de 0,1,e 10 Hz, nas temperaturas de 40 e 10 para determinação da deformação crítica para que as amostras estejam submetidas a deformações na região linear viscoelástica durante o ensaio de varredura de frequência. A deformação crítica será estabelecida como a deformação correspondente no ponto onde o módulo de cisalhamento dinâmico G* tem uma redução de 10%, onde ocorre a desestruturação do mástique Ensaio Oscilatório de varredura de frequência Com a deformação crítica estabelecida pelo ensaio de varredura de deformação, foi realizado o ensaio de varredura de frequência estabelecendo a temperatura de 25 C como referência. Para a construção da curva-mestre, será empregado o princípio de superposição tempotemperatura, em função de faixas de frequência de 0,1, 1 e 10Hz, para o intervalo de temperaturas de 10 a 40 C. 4. RESULTADOS PRELIMINARES As Figuras 8 e 9 mostram os resultados do ensaio de Varredura de Deformação obtidos para as amostras com relação f/b de 0,36. 8

10 Figura 8: Varredura de Deformação à 40C e 0.1Hz para amostra com relação f/b de 0,36. Figura 9: Varredura de Deformação à 10C e 10Hz para amostra com relação f/b de 0,36. Pela análise das Figuras 8 e 9, é possível verificar que as misturas com adição de EMA tendem a ter um valor de módulo de cisalhamento dinâmico superior às misturas com adição somente de RBRO, mesmo sendo adicionado a mesma quantidade em massa dos resíduos. Através dos resultado, também é possível determinar valores de deformação para os quais o material ainda se encontra na região linear viscoelástica (LVE). Para estes mástiques, foi utilizado os valores de 0,2% de deformação para os ensaios de varredura de frequência para posterior análise das curvas mestre. A Figura 10 mostra os resultado das curvas mestres construídas utilizando o método de Arrhenius com os resultado do ensaio de varredura de frequência para os mástiques estudados na temperatura de referência (25 C). 9

11 1,00E+08 Módulo de Cisalhamento Dinâmico (Pa) 1,00E+07 1,00E+06 RBRO/EMA_25C RBRO_25C EMA_25C 1,00E+05 1,00E+04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 Frequência Reduzida (Hz) Figura 10: Curvas mestre do módulo de cisalhamento dinâmico obtidas para os mástiques estudados Ângulo de fase, ( ) RBRO/EMA_25C RBRO_25C EMA_25C 40 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 Frequência Reduzida (Hz) Figura 10: Curvas mestre do ângulo de fase obtidas para os mástiques estudados Pela análise da Figura 10, é possível comprovar que mástiques produzidos com adição de dois resíduos (50% de RBRO e 50% de EMA) tiveram valores superiores de módulo de cisalhamento dinâmico. Estes resultado corroboram com o comportamento mecânico encontrado por Gottardi et al. (2013) mostrados na Tabela 3, onde misturas que tiveram adição de RBRO/EMA tiveram desempenho mecânico superior às misturas com adição de RBRO ou EMA somente. A adição de EMA causou uma redução no ângulo de fase, aumento assim a fase elástica dos mástiques, sugerindo superioridade quanto a elasticidade. 10

12 Tabela 3: Resultados dos ensaios de Estabilidade e fluência Marshal e RT. Ensaios RBRO EMA RBRO/EMA Estabilidade (kgf) Fluência (mm) 2,38 2,91 2,38 RT (Mpa) 0,69 0,69 0,79 Fonte: Adaptado de Gottardi et al. (2013) 4 CONCLUSÕES Os resíduos de RBRO, EMA e da mistura de 50%RBRO+50%EMA, apresentaram uma distribuição do tamanho das partículas característica de fíler ativo, pois todas foram passadas na peneira de malha quadrada n 200. Não apresentaram solibilidade quando imersos em querosene, o que sugere que os resíduos permanecem inertes quando envolvidos pelo CAP da mistura asfáltica. Os resíduos de RBRO, EMA e da mistura de RBRO+EMA foram utilizados para produção de mástiques asfálticos e as propriedades reológicas foram avaliadas. Em estudo anterior, Gottardi et al. (2013) apontaram que a adição destes materiais promovem melhoras no concreto asfáltico quando comparadas a um concreto referência (sem adição de resíduo). Neste estudo, os resultados dos parâmteros reológicos obtidos corroboraram com os valores encontrados no estudo de referência, onde amostras com adição de RBRO/EMA apresentaram incremento superior no módulo de cisalhamento dinâmico em comparação com amostras com adição de RBRO e EMA somente. A viabilidade técnica destes materiais promove não somente a dosagem de misturas mais resistentes, como também promove uma destinação ambientalmente correta e aceitável dos rejeitos que são depositados a céu aberto nos pátios. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABIROCHAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA DE ROCHAS ORNAMENTAIS. O setor. Informe 12/2012. São Paulo Disponível em: < Acesso em: 20 fev Airey, G. D. Rheological properties of styrene-butadiene-styrene polymer modified road bitumens. In: Fuel, v.82, p , ACELLOR MITTAL TUBARAÇÃO. Perfil. Disponível em: < Acesso em: 20 jul Anderson, D.A.; Bahia, H.U; Dongre, R. Rheological properties of mineral filer-asphalt mixtures. Association of Asphalt Paving Technologists, v.42, p USA Anderson, M. et al. MSCR: a better tool for characterizing high-temperature performance properties. In: Asphalt The magazine of the Asphalt Institute. Lexington, KY, v.25, p ISSN Bardini, V. S. S. Influência do fíler mineral em propriedades de misturas asfálticas densas. 344 p. Tese (Doutorado). Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Transporte e Área de concentração em Infra-Estrutura de Transporte Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, Bahia, H. U. Critical evaluation of asphalt modification using strategic highway research program concepts. In: Transportation Research Record, Washington. N 1488, p , Bahia, H.U. et al. NCHPP Report 459: Characterization of modified asphalt binders in superpave mix design. In: National Cooperative Highway Research Program, Washington Bahia, H. U., Hanson, D. I. Project NCHRP 9 10 Superpave protocols for modified asphalt binders. National Cooperative Highway Research Program, Washington Barra, B. S.; Momm, L. Avaliação das características químicas e físicas dos fíleres pó calcário e pó de brita na formulação dos mástiques asfálticos.in: 39 Reunião Anual de Pavimentação, Recife Bechara, M. F.; Faxina, A. L.; Fabrri, G. T.P.; Gigante, A. C.; Nascimento, D.R. Propriedades reológicas de mástiques asfálticos a altas temperaturas. In: REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO, 39., 2008, 11

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