3. SUSTENTABILIDADE NOS PAVIMENTOS
3.2. Práticas sustentáveis
3.2.8. WMA: Warm Mix Asphalt Mistura Morna
São consideradas misturas mornas (WMA) aquelas produzidas na usina em uma faixa de temperatura entre 100 e 140ºC. Acima de 150ºC são as misturas a quente (HMA), entre 60 e 100ºC são as misturas semimornas (Half Warm Mix Asphalt – HWMA) e em temperatura ambiente são as misturas a frio (RUBIO, et al., 2012).
Para conseguir a redução de temperatura e um desempenho similar às misturas a quente são utilizadas diferentes tecnologias, com processos de usinagem diferentes, mas com o mesmo objetivo: reduzir a viscosidade do asfalto, o que em consequência melhora a trabalhabilidade da mistura, produz menos emissões e geralmente gera melhores condições de trabalho (RUBIO, et al., 2012).
Figura 26. Classificação das misturas asfálticas em função da temperatura de produção, valores aproximados (MOTTA, 2011).
A WMA é uma tecnologia comprovada cujos benefícios específicos e o grau deles depende, é claro, sobre o processo WMA usado. Geralmente, os benefícios potenciais incluem (CHOWDHURY, et al., 2008):
46
Temperaturas de produção e aplicação significativamente menores;
Menor envelhecimento do ligante durante a usinagem e compactação, melhorando assim a longevidade da vida útil do pavimento;
Menor consumo de combustível / energia, reduzindo assim os custos;
Diminuição das emissões na usina e durante a aplicação;
Diminuição da produção de “fumaça”, devido a temperaturas mais baixas e menor tempo de aquecimento.
Período de trabalho prolongado (ou seja, execução do pavimento em épocas mais frias);
Permitir que a mistura asfáltica seja transportada para maiores distâncias (devido à menor diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura da mistura) e, assim, proporcionando áreas de mercado maiores e reduzindo os custos de transporte;
Maior facilidade de compactação, o que traz benefícios para misturas rígidas, misturas com maior porcentagem de RAP, pavimentos a baixa temperatura e reduz o esforço de compactação;
Construção mais rápida de pavimentos, útil para intersecções que precisam ser abertas o mais rápido possível já que é necessário menos tempo para esfriar a mistura antes da camada seguinte ser executada;
Melhoria nas condições de trabalho, reduzindo a exposição às emissões de combustível, fumos e odores;
Localização das usinas mais perto das áreas urbanas devido à menor poluição. Sendo uma tecnologia nova na Europa, sua utilização ainda não ocupa uma posição relevante em muitos países europeus, sendo que a França tem a maior aplicação, mas só 10%, ao contrário de outros países tem se visto um rápido incremento no seu uso. Por exemplo, nos Estados Unidos onde a produção total estimada da WMA no ano 2015 foi de 119,8 milhões de toneladas, o que representa um aumento de mais de 614% em relação aos 16,8 milhões de toneladas estimados em 2009, significando um terço de toda a produção de mistura asfáltica no país (HANSEN, et al., 2017).
O tipo de usina de asfalto é uma das razões por trás do aumento do uso de WMA nos EUA em comparação com os países europeus. Nos Estados Unidos, a mistura em usina drum mizer contra-fluxo (Drum Mix Counter-flow) é frequentemente usada. É mais fácil o processo de formação de espuma nessas usinas. Na Europa, prevalece o uso de usina gravimétrica, que precisa de maiores transformações nas usinas para a formação de espuma, mas não requer grandes modificações na inclusão de aditivos químicos ou orgânicos (WOSZUK, et al., 2017). Destes dados, pode-se obter a conclusão de que a formação de espuma é uma tecnologia mais viável do ponto de vista econômico.
47
Figura 27. Gráfico da porcentagem de WMA sobre o total de toneladas de misturas asfálticas produzidas nos Estados Unidos. 2009-2015 (HANSEN, et al., 2017).
O incremento no mercado se deve principalmente as vantagens da utilização de WMA: redução do combustível utilizado para aquecer os materiais da mistura na usina; maior facilidade da compactação devido a maior flexibilidade da mistura; permite longas distâncias de transporte e amplia o período de execução do pavimento (HANSEN, et al., 2017).
As tecnologias envolvidas em WMA podem se dividir em três: formação de espuma, aditivos orgânicos, aditivos químicos (surfactantes).
Formação de espuma
Esta tecnologia de misturas mornas e semimornas considera a adição de uma pequena quantidade de água na mistura para a formação de uma espuma com o asfalto quente. Quando a água se dispersa no asfalto aquecido e se forma vapor há a expansão do ligante, resultando em diminuição da viscosidade da mistura (MOTTA, 2011). A interação ligante/água diminui a viscosidade do CAP, permitindo desta forma a redução da temperatura de usinagem, facilitando a compactação em campo.
Nas tecnologias que fazem uso deste recurso, a água é introduzida no processo de usinagem por injeção direta, por meio de agregados úmidos ou na forma de material hidrofílico como as zeólitas.
Precauções especiais devem ser tomadas ao adicionar água. A quantidade de água deve ser suficiente para produzir a formação de espuma, mas quantidades elevadas podem causar o efeito stripping (RUBIO, et al., 2012).
Injeção direta (Water-based processes):
O Water-based process se baseia na formação de espuma produzida pela água quando é introduzida em pasta de asfalto pré-aquecida. Quando uma pequena
5% 11% 19% 24% 30% 32% 33% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 P o r c e n t a g e m
Porcentagem de WMA
48 quantidade de água é adicionada ao CAP quente, a água vaporiza, aumentando o volume do CAP e diminuindo a viscosidade, o que resulta em um melhor revestimento dos agregados e trabalhalidade da mistura. Como o ligante espumado está constantemente exposto a altas temperaturas durante os processos de mistura, as bolhas de espuma então se colapsam e se comporta como um ligante normal. Além disso, agentes anti-stripping (melhoradores de adesividade) também podem ser aplicados nas misturas asfálticas para minimizar a suscetibilidade à umidade do WMA promovendo a adesão entre ligante e agregados. Este processo à base de água permite uma redução na temperatura de misturas de asfalto que variam de 20 a 30°C (HASAN, et al., 2017).
Algumas das técnicas mais conhecidas são: WAM-Foam, Double Barrel Green ou Low Energy Asphalt (LEA).
Injeção indireta (Water-cointaing):
As tecnologias Water-cointaining utilizam zeólitas para a formação de espuma. As zeólitas são silicatos cristalinos alumino-hidratados (naturais ou sintéticos) que contêm alta porcentagem de água em sua estrutura (cerca de 20%). Têm a capacidade de liberar a água de maneira gradativa na medida em que são aquecidas em temperaturas acima do ponto de vaporização da água, devido a esta característica são utilizadas para formação de espuma (MOTTA, 2011). Atualmente, existem dois tipos no mercado, a saber, Aspha-min® e Advera®. Estes aditivos são comumente usados no campo. A adição se encontra entre um 0,25% e 1% da massa total da mistura.
Advera® é mais novo que Aspha-min® e recentes estudos mostram uma menor susceptibilidade à umidade, uma das grandes preocupações na utilização de WMA (HASAN, et al., 2017).
Resultados de vários testes realizados em Ohio indicam que, das tecnologias WMA (Evotherm, Aspha-Min, Sasobit), a maior redução em compostos perigosos é obtida usando asfalto misto com zeólitas (WOSZUK, et al., 2017).
Para viabilizar o emprego das técnicas que produzem misturas mornas e semimornas por espuma pode ser necessário realizar alterações na usina, com a instalação de equipamentos para a injeção de água, câmaras de expansão ou alimentadores, por exemplo, levando assim a certo investimento inicial (MOTTA, 2011). Na fase inicial do uso da WMA, as despesas incorridas geralmente excedem a economia do menor consumo de energia. Isso resulta da necessidade de adaptar instalações de produção a novas tecnologias. Para a tecnologia WAM-Foam, o custo de modificação da instalação é de U$ 30.000 a U$ 70.000, enquanto que para a tecnologia Aspha-Min®, o custo é de U$ 0 (diretamente introduzido no pugmill de usinas gravimétricas) a U$ 40.000 (CHOWDHURY, et al., 2008). A tecnologia por espuma representava no ano 2012 88% da produção estadunidense (EAPA, 2014).
49 Aditivos surfactantes (químicos)
Os aditivos químicos atuam como agentes ativos de superfície, conseguindo reagir simultaneamente com o ligante e com o agregado, melhorando a lubricidade do ligante asfáltico. Dessa forma, a redução da temperatura de produção é obtida pelo melhor envolvimento entre o ligante e o agregado, mesmo em baixas temperaturas. Geralmente os aditivos são misturados com o CAP, previamente à introdução do CAP no misturador.
Por essa razão, esse tipo de aditivo é também considerado um melhorador de adesividade, além de permitir uma trabalhabilidade da mistura na fase de espalhamento e compactação. Na classe dos aditivos surfactantes podem ser encontrados diversos produtos comerciais, tais como Evotherm, Rediset, Cecabase, Gemul e outros. A redução de temperatura varia entre 50 a 75ºC com Evotherm. A análise de 14 obras nos Estados Unidos que utilizaram Evotherm chegou à conclusão de que a mistura feita com esta tecnologia não compromete o desempenho do pavimento em comparação com a utilização de HMA (WU, et al., 2017).
Aditivos orgânicos
As tecnologias orgânicas adicionam ceras à mistura. Quando a temperatura aumenta acima do ponto de fusão das ceras, geralmente há uma diminuição da viscosidade que se prolonga durante a mistura e compactação. À medida que a mistura esfria, estes aditivos solidificam-se em partículas microscopicamente pequenas e uniformemente distribuídas, o que aumenta a rigidez do ligante na mesma direção dos materiais reforçados com fibras.
O tipo de cera deve ser cuidadosamente selecionado para evitar possíveis problemas de temperatura. Mais especificamente, se o ponto de fusão da cera for menor do que a temperatura em serviço poderá levar a complicações. A cera minimiza a fragilização do asfalto a baixas temperaturas. As fibras devem ser resistentes e sólidas à temperatura de serviço. As ceras desta tecnologia são cadeias de hidrocarbonetos de alto teor molecular com um ponto de fusão de 80 a 120ºC e são capazes de modificar as propriedades do ligante original. A quantidade de cera adicionada está entre um 1 e 2% da massa total. A redução de temperatura geralmente alcançada pela adição dessas ceras é de 20 a 30°C. Além disso, também melhoram a resistência à deformação do asfalto (RUBIO, et al., 2012).
Alguns aditivos existentes nesta classe são Sasobit, CCBIT 113AD e Asphaltan-B. O mais utilizado é Sasobit. Este produto apresenta vantagens e desvantagens. Por um lado, reduz a viscosidade do CAP a altas temperaturas e, assim, reduz as temperaturas de construção e o envelhecimento, e aumenta a resistência à deformações a temperaturas intermediárias. Sasobit também reduz a viscosidade do asfalto modificado por polímero ou borracha. Por outro lado, pode aumentar o potencial de fadiga e fissuras a baixa temperatura. É essencial analisar o desempenho do ligante modificado com Sasobit em faixas de temperatura alta, baixa e intermediária a partir da seleção cuidadosa do tipo de ligante (correta eleição de CAP) e da quantidade de Sasobit (JAMSHIDI, et al., 2013).
50 Resumo dos aditivos
A Tabela 5 apresenta um resumo dos principais aditivos utilizados em tecnologias WMA, o nome do produto, a companhia que os comercializa, sua descrição, a dosagem aproximada, os países onde é utilizada e temperatura de uso o sua redução em comparação com mistura asfáltica convencional.
Processo WMA Produto Companhia Descrição Dosagem de aditivo Países onde é utilizado Temperatura de produção ºC (ou rango de redução) Formação de espuma Water- containing
Aspha-Min® Eurovia e MHI Injeção indireita
utilizando zeolitos 0,3% peso total da mistura Global (20-30 ºC)
Water- containing
Adversa® PQ Corporation Injeção indireita
utilizando zeolitos
0,25% peso total da mistura
USA (10-30 ºC)
Water- Based Double Barrel Astec Formação de
espuma
2% de água sobre a massa de betume; agente anti-stripping
USA 116-135 ºC
Water- Based Ultrafoam GX Gencor Industries
Formação de espuma 1-2 % de água sobre a massa de betume
USA -
Water- Based LT Asphalt Nynas Espuma asfáltica
com aditivo hidrofílico 0,5-1 % de água sobre a massa de betume Itália e Países Baixos 90ºC
Water- Based WAM- Foam Shell Ligante suave
seguido de espuma de ligante duro
2-5% de água por massa de ligante duro
Global 100-120 ºC
Water- Based Low Energy Asphalt
LEACO Agregado quente
mistura com areia úmida
3% de água com areia fina
USA, França, Espanha, Italia
<100 ºC
Water- Based Low Emission A sphalt
McConnaugh- ay
Technologies
Agregado quente mistura com areia úmida, combinado com químicos.
3% de água com areia fina; 04% do peso do ligante
USA 90ºC
Water- Based LEAB Royal Barn
Group
Espuma com ligante, mistura dos agregados em baixo de 100ºC 0,1% do peso do betumem de aditivo de revestimento e adesão USA 90ºC Orgânico
Orgânico Sasobit Sasol Fischer-Tropsch
cera 1-1,5% em massa de betumem Global (20-30 º C)
Orgânico Asphaltan B Romonta
GmbH
2-4% da massa de betumem
Alemanha (20-30 º C)
Orgânico Licomotont BS Clariant Acido grasso 3% da massa de
betumem
Alemanha (20-30 º C) Surfactantes
Químico Evotherm Mead
Westvaco
Pacotes químicos,
com o sem água 0,5% da massa da emulsão betuminosa Global 85-115 ºC
Químico Cecabase RT CECA Pacotes químicos 0,2-0,4 % do peso da
mistura
USA, França (30 ºC)
Químico Rediset Azko Nobel Surfactante
catiônico e aditivo orgânico 1,5-2% do peso da bitumem USA, Noruega (30 ºC)
Químico Revix Mathy- Ergon Polímeros, ceras e
aditvos
Não especificado USA (15-25 ºC)
Tabela 5. Produtos usados em tecnologias WMA, descrição do produto, dosagem do aditivo, países onde é usado, e redução de temperatura. (RUBIO, et al., 2012)
Vantagens ambientais e econômicas
O setor rodoviário tem desenvolvido novas tecnologias no âmbito da pavimentação com o objetivo de contribuir nas questões ambientais. A poluição devida às elevadas temperaturas em que é produzida a mistura asfáltica é uma questão de preocupação, tanto para a sociedade como para a indústria dos pavimentos. Diminuir a temperatura
51 implica um consumo menor de combustível e uma considerável redução nas emissões.
Graças às tecnologias WMA é conseguida uma clara redução nos poluentes emitidos à atmosfera (D´ANGELO, et al., 2008). A tabela 6 mostra essa redução em comparação com a produção clássica de mistura asfáltica convencional.
Redução da emissão de poluentes durante fabricação em usina de asfalto (%)
Gases Noruega Itália Holanda França
CO2 31,5 30-40 15-30 23 SO2 - 35 - 18 VOC - 50 - 19 CO 28,5 10-30 - - NOX 61,5 60-70 - 18 Poeira 54,0 25-55 - NA
Tabela 6. Redução da emissão de poluente durante a fabricação de WMA. (D´ANGELO, et al., 2008)
Tecnologia WMA foam Aspha-Min® Sasobit® Evoterm
Diminuição de
temperatura 43-63 ºC 30 ºC 18-54 ºC 50-75 ºC
Redução das
emissões 30-98% 75-90% - 40-60%
Tabela 7. Redução das emissões segundo alguns dos principais aditivos do mercado. (THIVES, et al., 2017)
Cada gás pode ser juntado a outros em grupos maiores para avaliar o impacto global. Por exemplo, os gases que contribuem ao aquecimento global são: CO2, CH4, N2O. À
acidificação são SO2, NO2 e NH3, por último os gases que contribuem à formação de
foto-oxidação são SO2, NO2 e CO (MAZUMDER, et al., 2016). A redução destes
52
Figura 28. Porcentagem em que são reduzidas as emissões mediante o uso de tecnologias WMA em comparação com mistura asfáltica convencional (MAZUMDER, et al., 2016)
O consumo de energia segundo as diferentes tecnologias de asfalto (semimorna, morna ou quente) tem sido estudado por muitos pesquisadores. Antes de entrar na análise tem que ser explicado que a energia economizada acontece tanto na usina como na execução do pavimento.
Deve ser salientado que dependendo do combustível utilizado, as emissões ao meio ambiente e a energia consumida variam consideravelmente, o gás natural é o combustível mais amigável para o meio ambiente já que emite menos CO2 na
atmosfera. A quantidade de energia elétrica necessária para produzir as misturas asfálticas é bastante alta em comparação com outros combustíveis (como o diesel), traduzindo em maiores emissões (ALMEIDA-COSTA, et al., 2016).
As conclusões sobre consumo energético não obedecem a taxas fixas, e cada pesquisador encontrou uma redução diferente. Esta diminuição energética tem que ser traduzida em economia de combustível depois. Os cálculos teóricos mostram que uma redução de temperatura de 28ºC proporciona uma redução de 11% no consumo de combustível (PROWELL, et al., 2012).
Nesta parte do trabalho são mostrados alguns dos estudos de redução de energia. Segundo CHOWDHURY et al. (2008), nos diferentes trabalhos analisados, a energia é reduzida entre 30-50%. KRISTJANSDOTTIR (2006) obteve redução em torno de 30%; D´ANGELO et al. (2008) entre 20-30%, podendo chegar a 50% se utilizado Low Energy Asphalt; ALMEIDA-COSTA et al. (2016) mostra que a redução utilizando Evotherm pode ser de 27% e utilizando Sasobit pode alcançar 13%; analisando as usinas suíças BUECHE et al. (2012) afirma que uma usina de mistura morna pode economizar entre 25% e 47% de energia em comparação com as usinas de asfalto quente; por ultimo PROWELL et al. (2012) apresenta dados de vários projetos com uma média na redução de 23% (Tabela 8).
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% Consumo de combustivéis fosseis Aquecimento global
Acidificação Formação de foto- oxidação
Porcentagem melhorado com a
utilização de WMA
53 Diferentes estudos (CHOWDHURY, et al., 2008) (KRISTJANSDOTTIR, 2006) (D´ANGELO, et al., 2008) (ALMEIDA- COSTA, et al., 2016) (BUECHE, et al., 2012) (PROWELL, et al., 2012) Redução energética (%) 30-50 30 20-30 13-27 25-47 23
Tabela 8. Redução no consumo energético segundo diferentes estudos
Outro ponto importante das misturas mornas, além da sua capacidade para reduzir as temperaturas e emissões é a capacidade de adicionar maiores quantidades de RAP como fonte de ligante e agregado. É essa combinação bastante interessante e atual motivo de pesquisa e análise por pesquisadores e órgãos rodoviários. Este ponto da adição de RAP é de extrema importância já que pode diminuir os preços finais e, portanto, inclinar a balança para o uso de tecnologias WMA em detrimento das atuais misturas a quente (ONER, et al., 2015).
A adição de maior quantidade de RAP seria possível pelas menores temperaturas, já que não seria um problema o reaquecimento do ligante residual do RAP. Por outro lado não seria necessário superaquecer agregados virgens, causando uma redução no consumo de energia.
Alem disso, o uso de RAP para produzir misturas WMA ajuda a melhorar várias propriedades de engenharia, como a trabalhabilidade e a compactação, a resistência à deformação por fluência e deformações em geral, fissuração a baixa temperatura e a falha por fadiga. O desempenho no campo dessas misturas também é comparável com as misturas convencionais. No entanto, devido a menores temperaturas de produção, torna-se importante verificar a susceptibilidade à umidade, especialmente para os ligantes envelhecidos ao longo prazo (FAROOQ, et al., 2017). Segundo (SOLAIMANIAN, et al., 2011), mistura morna com 35% de RAP e a correta dosagem de aditivos (Saobite® e Eotherm®) atende todas as restrições e especificações da AASHTO, incluída a susceptibilidade à umidade.
Em termos de consumo de energia, quando uma mistura morna é feita com 40% de RAP, é possível reduzir o consumo de energia em 10% em relação ao asfalto usinado com tecnologia convencional (THIVES, et al., 2017).
Observando a redução de GEE e outros poluentes e a redução de energia, a grande pergunta seria: é viável economicamente? A principal vantagem das tecnologias WMA é a redução no consumo de combustível, quanto mais caro seja o combustível maior o benefício (CHOWDHURY, et al., 2008). No entanto, como os benefícios econômicos e ambientais nem sempre foram corretamente avaliados, as misturas mornas estão muito longe de serem exploradas em todo seu potencial, principalmente devido à ideia de que os aditivos são caros (ALMEIDA-COSTA, et al., 2016).
É importante lembrar que o custo financeiro inicial para poder desenvolver uma tecnologia WMA com potencial de aplicação é importante para as empresas rodoviárias. As despesas incorridas geralmente excedem os benefícios econômicos obtidos através do uso de tecnologias WMA, especialmente no início (RUBIO, et al., 2012).
54 Os benefícios econômicos da WMA dependem do tipo de energia utilizada no processo de produção, seu custo e potencial de poluição. Na maioria dos países, os custos de energia são relativamente altos e, portanto, qualquer redução nesse sentido é altamente avaliada pelo produtor de asfalto. Correto será dizer que, se padrões de emissão mais rigorosos fossem implementados e aplicados, a WMA teria um potencial econômico ainda maior (RUBIO, et al., 2012). Por exemplo, em 2012, a Autoridade Noruega de Inspeção do Trabalho queria aumentar o uso de mistura morna. Para consegui-lo, a Administração Rodoviária recompensou os construtores com um bônus de € 4 / tonelada, quando a mistura era produzida com uma redução mínima de 25ºC que na produção convencional, assumindo os mesmos requisitos de qualidade (EAPA, 2014). Este é um exemplo de autoridade que exige a implementação de uma tecnologia por meio de vantagens econômicas.
Mas a viabilidade econômica não deve ser observada a curto prazo. A longo prazo, incluindo as reduções no consumo energético na usinagem, estariam também as reduções devidas a melhor trabalhabilidade graças à viscosidade da mistura morna que oferece um elevado potencial para os construtores, pois permite (CHOWDHURY, et al., 2008):
Menores riscos de problemas de compactação em climas frios;
Reduz a quantidade de equipamentos de compactação necessária no local de trabalho;
Reduz o risco de compactação inadequadaao trabalhar com misturas rígidas. Segundo (THIVES, et al., 2017) podem ser obtidas até 30% de economia de energia na compactação do pavimento devido à menor viscosidade do asfalto.
Também pode haver uma redução significativa em dias de operação da usina, se esta funcionar com a taxa máxima de produção em toneladas por hora. Devido a menores temperaturas, as misturas são produzidas em menos tempo (ANDERSON, et al., 2008). Para o caso analisado por ANDERSON et al. (2008) eram economizados aproximadamente três dias de produção por mês, o que implica em 10% menos em dias.
Para avaliar o impacto econômico de uma forma geral, vale a pena observar a evolução na sua produção. Em apenas seis anos os Estados Unidos, um país que é movido mais por fatores econômicos que ambientais, têm abraçado esta nova técnica devido principalmente à redução de custos, sendo a menor carga para o meio ambiente uma razão secundária, mas não por isso menos importante.
Casos brasileiros
No Brasil, a tecnologia WMA ainda não tem sido muito utilizada, existem alguns