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Incorporação do resíduo oriundo do beneficiamento de caulim em concreto asfáltico

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(1)

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA SANITÁRIA

Cibele Gouveia Costa

INCORPORAÇÃO DO RESÍDUO ORIUNDO DO BENEFICIAMENTO

DE CAULIM EM CONCRETO ASFÁLTICO

(2)

Cibele Gouveia Costa

INCORPORAÇÃO DO RESÍDUO ORIUNDO DO BENEFICIAMENTO

DE CAULIM EM CONCRETO ASFÁLTICO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Sanitária, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Sanitária.

Orientador: Prof. Dr. Olavo Francisco dos Santos Jr Co-orientador: Prof. Dr. Maria del Pilar Durante Ingunza

(3)

Divisão de Serviços Técnicos

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Costa, Cibele Gouveia.

Incorporação do resíduo oriundo do beneficiamento de caulim em concreto asfáltico / Cibele Gouveia Costa. - Natal, RN, 2006.

106 f.

Orientador: Olavo Francisco dos Santos Co-orientador: Maria del Pilar Durante Ingunza

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-graduação em Engenharia sanitária.

1. Caulim – beneficiamento - Dissertação. 2. Resíduo – Dissertação 3. Concreto asfáltico - Dissertação. I. Santos, Olavo Francisco dos. II. Ingunza, Maria del Pilar Durante. III. Título.

(4)

INCORPORAÇÃO DO RESÍDUO ORIUNDO DO BENEFICIAMENTO

DE CAULIM EM CONCRETO ASFÁLTICO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação, em Engenharia Sanitária, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Sanitária.

BANCA EXAMINADORA

___________________________________________________________________ Prof. Dr. Olavo Francisco dos Santos Júnior – Orientador

___________________________________________________________________ Profa. Dra. Maria del Pilar Durante Ingunza – Co-orientadora

___________________________________________________________________ Prof. Dr. Raimundo Leidimar Bezerra – Examinador Externo (UFCG)

____________________________________________________________ Prof. Dr. John Kennedy Guedes Rodrigues – Examinador Externo (UFCG)

(5)

Cibele Gouveia Costa

Orientador: Prof. Dr. Olavo Francisco dos Santos Jr Co-orientador: Prof. Dr. Maria del Pilar Durante Ingunza

RESUMO

(6)

das misturas contendo resíduo com os da mistura convencional, e com os das especificações exigidas pelo DNIT. Os resultados mostram que o resíduo grosso oriundo do beneficiamento de caulim possui grãos dos mais variados diâmetros, sendo assim, pode substituir parte de todos os agregados convencionais e do filler em uma mistura asfáltica. Além disso, a sua composição mineralógica apresentou os mesmos minerais presentes na composição de agregados convencionais utilizados em pavimentação. Os resultados da avaliação da composição volumétrica das misturas contendo resíduo indicam que se pode empregar até 30% de resíduo em substituição aos agregados convencionais. A avaliação do comportamento mecânico dessas misturas indicam que o incremento de resíduo nas misturas estudadas ocasionou um aumento da estabilidade e uma redução da resistência à tração. Os valores obtidos na resistência à tração se encontram abaixo do valor mínimo especificado pelo DNIT, mas próximos ao valor obtido na mistura convencional. Ao levar em consideração a suscetibilidade das mesmas à umidade, os resultados indicam que se pode empregar até 25% de resíduo.

(7)

Cibele Gouveia Costa

Adviser: Prof. Dr. Olavo Francisco dos Santos Jr Co-adviser: Prof. Dr. Maria del Pilar Durante Ingunza

ABSTRACT

(8)

mixture, and with the one of the DNIT specifications. The results show that the great residue originating from of the kaolin improvement has grains of the most varied size, being like this, it can substitute part of all the conventional aggregates and of the filler in an asphalt mixture. Besides, your mineralogical composition presented the same present minerals in the composition of conventional aggregates used in paving. The results evaluation of the volumetric composition of the mixtures containing residue indicates that it can use up to 30% of residue in substitution to the conventional aggregates. The evaluation of the mechanical behavior of those mixtures indicates that the residue increment in the studied mixtures caused an increase of the stability and a reduction of the resistance to the traction. The values obtained in the resistance to the traction meet below the minimum value specified by DNIT, but close to the value obtained in the conventional mixture. When taking in consideration the susceptibility of the same ones to the humidity, the results indicate that she can use up to 25% of residue.

(9)

Dedico este trabalho a minha mãe, amiga, companheira de todos os instantes, Claudia. Sou grata pela paciência incondicional e pelo apoio que me tem dado nos momentos decisivos da minha vida, encorajando-me e reforçando minha capacidade de ir além.

À minha irmã, Cíntia, por sempre me mostrar que devo seguir meus sonhos.

(10)

A Deus por estar sempre presente, mostrando-me o caminho a seguir.

A minha mãe e irmã pela enorme paciência, dedicação e incentivo.

Ao meu pai biológico, Geraldo, que mesmo não estando nesse plano, tenho certeza que está sempre por perto, me mostrando o caminho a seguir. Ao meu pai do coração, Marcelo, por ser eterno incentivador da busca pelo conhecimento.

Aos meus avós maternos, Enilza e Inácio (in memorian), com os quais tive a oportunidade de conviver no mesmo lar e receber seu carinho e atenção.

Aos meus orientadores, Olavo Santos Júnior e Pilar Inguza, pelo apoio, atenção, compreensão, incentivo e por confiarem em mim para realização deste trabalho.

A todos os meus amigos, pelo incentivo, cumplicidade e por proporcionarem momentos de descontração. Em especial a Sayonara Medeiros, com quem convivi a maior parte do mestrado, pelo apoio e cooperação.

Aos amigos de Campina Grande pela acolhida e apoio.

Ao DNIT pelo fornecimento dos dados, materiais pétreos e Cimento Asfáltico de Petróleo à pesquisa. Em especial, agradeço ao Engenheiro Berilo pela atenção destinada.

A Empresa Mineradora Caulim do Seridó LTDA – CAULISE pelo fornecimento do resíduo estudado.

Aos técnicos e bolsistas dos Laboratórios de Materiais de Construção e Solos da UFRN, pelo apoio na realização dos ensaios.

(11)

Ao professor Edgard Dantas, grande incentivador deste trabalho, pelo apoio e atenção destinada.

Ao professor John Kennedy Rodrigues pela acolhida e orientações dadas.

Ao professor Rubens Nascimento, pela ajuda no entendimento dos resultados de caracterização do resíduo.

Aos professores do PPgES pelo conhecimento e apoio transmitidos.

A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES, pelo apoio financeiro concedido através da bolsa de estudo.

(12)

LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE EQUAÇÕES

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

CAPÍTULO 1 ...1

1.1 OBJETIVOS DA PESQUISA ...2

1.1.1 Objetivo Geral...2

1.1.2 Objetivos Específicos ...3

CAPÍTULO 2 ...4

2.1 O CAULIM ...4

2.1.1 Tipos de Caulim...4

2.1.2 Aplicações ...5

2.1.3 Reservas e Produção ...5

2.2 O CAULIM DO MUNICÍPIO DE EQUADOR-RN...5

2.2.1 O Município de Equador-RN ...5

2.2.2 Extração e Beneficiamento do Caulim...6

2.2.3 Resíduo Gerado no Beneficiamento de Caulim ...10

2.3 UTILIZAÇÃO DO RESÍDUO ORIUNDO DO BENEFICIAMENTO DE CAULIM NA CONSTRUÇÃO CIVIL ...11

CAPÍTULO 3 ...14

3.1 PAVIMENTAÇÃO ...14

3.1.1 Classificação dos Pavimentos ...15

3.1.2 Revestimento Asfáltico ...16

3.2 CONCRETO ASFÁTICO ...18

3.2.1 Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP)...18

3.2.2 Materiais Granulares ...20

3.2.2.1 Agregados Graúdos...22

3.2.2.2 Agregados Miúdos ...23

3.2.2.3 Material de Enchimento (filler) ...24

3.2.3 Composição Volumétrica...26

3.2.3.1 Volume de Vazios (Vv) ...28

3.2.3.2 Vazios do Agregado Mineral (VAM)...29

3.2.3.3 Relação Betume Vazios (RBV) ...29

3.2.4 Comportamento Mecânico ...30

3.2.4.1 Estabilidade Marshall...31

3.2.4.2 Resistência à Tração por Compressão Diametral Estática...31

3.3 SUSCETIBILIDADE DAS MISTURAS ASFÁLTICAS À UMIDADE ...31

3.4 UTILIZAÇÃO DE RESÍDUOS COMO AGREGADOS ALTERNATIVOS PARA O CONCRETO ASFÁLTICO ...33

3.5 UTILIZAÇÃO DE RESÍDUOS ORIUNDOS DO BENEFICIAMENTO DE CAULIM EM PAVIMENTAÇÃO ...34

CAPÍTULO 4 ...36

4.1 CARACTERIZAÇÃO DO RESÍDUO ...36

(13)

4.1.2 Caracterização Mineralógica ...39

4.1.2.1 Difração de Raios-X...40

4.1.2.2 Fluorescência de Raios-X ...40

4.1.3 Caracterização Térmica ...40

4.1.3.1 Análise Térmica Diferencial ...40

4.1.3.2 Análise Térmica Gravimétrica ...41

4.1.4 Ensaios Específicos para Utilização do Resíduo em Pavimentação ...41

4.1.4.1 Adesividade ...41

4.1.4.2 Índice de Forma ...42

4.1.4.3 Abrasão Los Angeles...42

4.1.4.4 Equivalente de Areia...43

4.2 CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS CONVENCIONAIS E MATERIAL ASFÁLTICO ...43

4.2.1 Caracterização dos Agregados Graúdos e Miúdos ...44

4.2.2 Caracterização do Filler...45

4.2.3 Caracterização do Material Asfáltico ...45

4.3 INCORPORAÇÃO DO RESÍDUO NO CONCRETO ASFÁLTICO ...45

4.3.1 Mistura Convencional ...46

4.3.2 Preparação das Misturas com a Incorporação do Resíduo Grosso de Caulim ...47

4.3.3 Avaliação de Desempenho das Misturas ...48

As misturas foram avaliadas com base na sua composição volumétrica, no seu comportamento mecânico e na sua suscetibilidade à umidade...48

4.3.3.1 Preparação dos Corpos de Prova...48

4.3.3.2 Composição Volumétrica ...49

4.3.3.3 Comportamento Mecânico ...49

4.3.3.4 Suscetibilidade das Misturas à Umidade ...51

CAPÍTULO 5 ...53

5.1 RESULTADOS DA CARACTERIZAÇÃO DO RESÍDUO...53

5.1.1 Resultados da Caracterização Física ...53

5.1.2 Resultados da Caracterização Mineralógica ...55

5.1.3 Resultados da Caracterização Térmica...55

5.1.4 Resultados dos Ensaios Específicos para Utilização do Resíduo em Pavimentação ...57

5.1.4.1 Resultados da Adesividade da Fração Graúda e Miúda do Resíduo...57

5.1.4.2 Resultado do Índice de Forma da Fração Graúda do Resíduo...58

5.1.4.3 Resultado do Ensaio de Abrasão Los Angeles no Resíduo...58

5.1.4.4 Resultado do Equivalente de Areia do Resíduo ...58

5.2 RESULTADOS DA CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS CONVENCIONAIS ...59

5.2.1 Agregado Graúdo ...59

5.2.2 Agregado Miúdo ...61

5.2.3 Filler...62

5.3 RESULTADOS DA CARACTERIZAÇÃO DO CIMENTO ASFÁLTICO DE PETRÓLEO...62

(14)

5.5.1.1 Resultado da Densidade Real da Mistura...66

5.5.1.2 Resultado da Densidade Aparente da Mistura...66

5.5.1.3 Resultado do Volume de Vazios ...67

5.5.1.4 Resultado dos Vazios do Agregado Mineral ...69

5.5.1.5 Resultado da Relação Betume Vazios...70

5.5.2 Resultados do Comportamento Mecânico...72

5.5.2.1 Resultados da Estabilidade ...72

5.5.2.2 Resultados da Resistência à Tração por Compressão Diametral...73

5.5.3 Resultados da Susceptibilidade das Misturas à Umidade ...75

CAPÍTULO 6 ...77

6.1 CONCLUSÕES ...77

6.1.1 Resíduo ...77

6.1.2 Misturas Contendo Resíduo ...77

6.2 RECOMENDAÇÕES ...78

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...79

(15)

FIGURA 2.1 Mapa de localização do município de Equador... 6

FIGURA 2.2 Extração do caulim: (a) Equipamento utilizado para a descida de trabalhadores para as galerias; (b) Vista da galeria. (Sakamoto, 2003) ... 7

FIGURA 2.3 Esquema dos processos realizados na indústria de beneficiamento de caulim em Equador ... 7

FIGURA 2.4 Beneficiamento do caulim: (a) Misturador utilizado na desagregação do caulim bruto; (b) Remoção do resíduo grosso ... 8

FIGURA 2.5 Peneiramento do Caulim: (a) Peneiramento; (b) Resíduo fino ... 8

FIGURA 2.6 Tanques de decantação... 9

FIGURA 2.7 Filtro Prensa... 9

FIGURA 2.8 Secagem das tortas: (a) Exposição das tortas ao sol; (b) Prateleiras utilizadas na exposição das tortas as correntes de ar e ao sol; (c) Forno à lenha... 10

FIGURA 2.9 Aterro de resíduo grosso oriundo do beneficiamento de caulim: (a) Vista superior; (b) Vista frontal... 10

FIGURA 3.1 Tipos de pavimento: (a) Rígido; (b) Semi-rígido; (c) Flexível ... 16

FIGURA 3.2 Classificação dos revestimentos asfálticos. (DNIT,2006a)... 16

FIGURA 3.3 Classificação dos agregados de acordo com sua composição mineralógica e afinidade ao CAP... 20

FIGURA 3.4 Distribuição granulométrica dos limites da faixa C, especificada pelo DNIT, para concretos asfálticos e curva central de distribuição granulométrica obtida a partir das curvas limites... 22

FIGURA 4.1 Amostra do resíduo grosso oriundo do beneficiamento de caulim.... 36

FIGURA 4.2 Ensaios de caracterização do resíduo oriundo do beneficiamento de caulim... 37

FIGURA 4.3 Agitador de peneiras utilizado no ensaio de granulometria por peneiramento... 38

FIGURA 4.4 Ensaio de densidade real: (a) Amostra no picnômetro; (b) Retirada de vazios da amostra; (c) Pesagem do picnômetro ... 39

FIGURA 4.5 Etapas da mistura do agregado miúdo com o ligante para ensaio de adesividade: (a) Amostra de agregado; (b) Amostra de agregado e ligante; (c) Mistura final... 41

FIGURA 4.6 Ensaio de adesividade: (a) Preparação da amostra; (b) Fervura da amostra... 42

FIGURA 4.7 Amostra dos agregados graúdos: (a) Brita 5/8”; (b) Brita ½”... 44

FIGURA 4.8 Amostra dos agregados miúdos: (a) Areia; (b) Pó de pedra... 44

FIGURA 4.9 Ensaios utilizados na caracterização dos agregados da mistura... 45

FIGURA 4.10 Esquema de atividades realizadas na etapa de incorporação do resíduo no CA... 46

FIGURA 4.11 Curva granulométrica da mistura convencional... 47

(16)

compactação... 49

FIGURA 4.14 Ensaio Marshall: (a) Prensa Marshall; (b) Molde de Compressão Marshall... 50

FIGURA 4.15 Molde de tração por compressão diametral... 51

FIGURA 5.1 Curva granulométrica do resíduo grosso por peneiramento... 53

FIGURA 5.2 Curva granulométrica do resíduo grosso por difração a laser... 54

FIGURA 5.3 Composição mineralógica do resíduo grosso... 55

FIGURA 5.4 Análise térmica diferencial do resíduo grosso... 56

FIGURA 5.5 Análise termogravimétrica do resíduo grosso... 56

FIGURA 5.6 Amostra do resíduo após o ensaio de adesividade... 57

FIGURA 5.7 Curva granulométrica dos agregados graúdos por peneiramento... 59

FIGURA 5.8 Amostra dos agregados graúdos após o ensaio de adesividade: (a) Brita ½”; (b) Brita 5/8... 61

FIGURA 5.9 Curva granulométrica dos agregados miúdos por peneiramento... 61

FIGURA 5.10 Curva granulométrica da mistura convencional... 63

FIGURA 5.11 Composição granulométrica das misturas... 65

FIGURA 5.12 Variação da densidade aparente dos corpos de prova em função da porcentagem de resíduo da mistura... 67

FIGURA 5.13 Variação do volume de vazios dos corpos de prova em função da porcentagem de resíduo da mistura... 68

FIGURA 5.14 Variação dos vazios do agregado mineral dos corpos de prova em função da porcentagem de resíduo da mistura... 70

FIGURA 5.15 Variação da relação betume vazios dos corpos de prova em função da porcentagem de resíduo da mistura... 71

FIGURA 5.16 Variação das estabilidades sem e com imersão em função da porcentagem de resíduo da mistura... 73

FIGURA 5.17 Variação da resistência à tração por compressão diametral em função da porcentagem de resíduo da mistura... 74

(17)

TABELA 3.1 Especificações do DNIT para composição granulométrica do

concreto asfáltico... 21

TABELA 3.2 Especificações do DNIT para o filler contido nas misturas asfálticas... 24

TABELA 3.3 Composição volumétrica especificadas pelo DNIT para o Concreto Asfáltico... 27

TABELA 3.4 Mínimo de vazios do agregado mineral especificados pelo DNIT... 27

TABELA 3.5 Comportamento mecânico especificado pelo DNIT para o Concreto Asfáltico... 31

TABELA 5.1 Parâmetros característicos da curva granulométrica do resíduo grosso... 54

TABELA 5.2 Porcentagem dos óxidos presentes no resíduo grosso... 55

TABELA 5.3 Resultados do ensaio de Abrasão Los Angeles... 58

TABELA 5.4 Resultados do ensaio de equivalente de areia... 58

TABELA 5.5 Parâmetros característicos da curva granulométrica do resíduo grosso... 60

TABELA 5.6 Resultados dos ensaios nos agregados graúdos... 60

TABELA 5.7 Resultados dos ensaios nos agregados miúdos... 62

TABELA 5.8 Composição granulométrica do cimento Portland... 62

TABELA 5.9 Caracterização do CAP 50/70. (LUBNOR)... 63

TABELA 5.10 Composição volumétrica e comportamento mecânico da mistura convencional... 64

TABELA 5.11 Variação do filler da mistura, em função da porcentagem de resíduo adicionada... 65

TABELA 5.12 Densidade real das misturas avaliadas... 66

TABELA 5.13 Valores médios, máximos, mínimos e os desvios padrões da densidade aparente das misturas avaliadas... 66

TABELA 5.14 Valores médios, máximos, mínimos e os desvios padrões do volume de vazios das misturas avaliadas... 68

TABELA 5.15 Valores médios, máximos, mínimos e os desvios padrões dos vazios do agregado mineral das misturas avaliadas... 69

TABELA 5.16 Valores médios, máximos, mínimos e os desvios padrões da relação betume vazios das misturas avaliadas... 70

TABELA 5.17 Valores médios, máximos, mínimos e os desvios padrões da estabilidade sem imersão das misturas avaliadas... 72

TABELA 5.18 Valores médios, máximos, mínimos e os desvios padrões da estabilidade com imersão das misturas avaliadas... 72

(18)

Equação 3.1... 26

Equação 3.2... 27

Equação 3.3... 28

Equação 3.4... 28

Equação 3.5... 29

Equação 3.6... 29

Equação 3.7... 29

Equação 4.1... 38

Equação 4.2... 38

Equação 4.3... 51

(19)

%b – Percentagem de Betume na Amostra Total %f – Percentagem de Filler na Amostra Total

% Mi – Porcentagem de cada Material Empregado na Mistura

σR – Resistência à Tração

AA – Absorção de Água

AASHTO – American Association of State Highway and Transportation Officials ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

ADP – Asfalto Diluído de Petróleo

ASTM – American Standardization for Testing and Materials C – Concentração Volumétrica

CAP – Cimento Asfáltico de Petróleo

CAULISE – Empresa Mineradora Caulim do Seridó LTDA CBUQ – Concreto Betuminoso Usinado a Quente

CBR – Califórnia Bearing Ratio Cc – Coeficiente de Curvatura

CPRM – Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais Cs – Concentração Crítica

CTGÁS – Centro de Tecnologias do Gás Cu – Coeficiente de não Uniformidade

D – Diâmetro do Corpo de Prova D10 – Diâmetro Efetivo

D30 – Diâmetro Equivalente à Porcentagem de 30% de Solo que Passa,

D60 – Diâmetro Equivalente à Porcentagem de 60% de Solo que Passa

Da – Densidade Aparente

Db – Massa Específica Real do Asfalto De – Diâmetro Efetivo

DER – Departamento Estadual de Estradas Df – Massa Específica Real do Filler

DMT – Densidade Máxima Teórica

(20)

DRX – Difração de Raios-X

DTA – Análise Térmica Diferencial ES – Especificação de Serviço F – Carga de Ruptura

FRX – Fluorescência de Raios-X Gb – Densidade Real do Asfalto

Gi – Densidade Real da Massa dos Grãos H – Altura do Corpo de Prova

hot – Umidade Ótima

IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ICDD – Internacional Centre for Difraction Data IF – Índice de Forma

ISC – Índice de Suporte Califórnia

LABEMAT – Laboratório de Ensaios de Materiais LL – Limite de Liquidez

LP – Limite de Plasticidade

LUBNOR – Unidade de Refino de Lubrificantes e Derivados de Petróleo do Nordeste ME – Método de Ensaio

NBR – Norma Brasileira

Pa – Peso do Corpo de Prova no Ar

Pe – Peso do Corpo de Prova Imerso em Água RBV – Relação Betume Vazios

RN – Rio Grande do Norte

RRT – Relação de Resistência à Tração

SUDENE – Superintendência do Desenvolvimento do Nordeste TGA – Análise Termogravimétrica

UFCG – Universidade Federal de Campina Grande UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte VAM – Vazios do Agregado Mineral

Vb – Volume de Vazios Preenchido com Asfalto Vv – Volume de Vazios Total

(21)

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

Segundo o Departamento Nacional de Produção Mineral – DNPM (2005), o setor mineral tem grande importância para o Brasil, pois representa 4,2% do Produto Interno Bruto do País. Além disso, é grande empregador de mão de obra, consumidor de bens de capital, construtor de infra-estrutura, fornecedor de matéria-prima ao parque industrial e gerador de divisas ao exportar sua produção.

Apesar de possuir impactos positivos relevantes, a mineração no Brasil gera diversos problemas ambientais, como: poluição da água, ar e solo, devido aos lançamentos de rejeitos em ambientes impróprios; poluição visual, devido a grande quantidade de volume de rochas e solos movimentados, com conseqüente modificação da paisagem; poluição sonora, causada pelos ruídos das máquinas de beneficiamento e pelos caminhões no transporte dos minerais; redução da flora e fauna; impactos sobre a saúde dos trabalhadores e população residente na área; conflitos de uso do solo; depreciação de imóveis circunvizinhos; e por fim, quando próximas de centros urbanos, transtornos ao tráfego.

Com a legislação vigente e a conscientização da população e empresas, tem se buscado reduzir os impactos negativos gerados por essa atividade. Isso tem sido feito através de um desenvolvimento sustentável, ou seja, através de uma exploração planejada do solo, de modo a garantir as necessidades da população presente, sem comprometer as da geração futura.

(22)

um tratamento e disposição adequados para o resíduo; e por fim, agregar valor ao resíduo, reutilizando-o.

A principal atividade econômica do município de Equador-RN é a extração e o beneficiamento do caulim. Porém essa atividade acarreta uma série de impactos ambientais, sendo a principal delas a quantidade de resíduos gerados.

Cerca de 70% do caulim extraído é desperdiçado, por não ser aproveitado pela indústria ou qualquer outro segmento. Os resíduos são simplesmente amontoados em terrenos das empresas de beneficiamento, ocupando assim uma grande área e causando impacto na flora existente. Quando secos, os resíduos transformam-se em pó e pela ação do vento, se espalham, poluindo o ar.

Com o intuito de agregar valor a esses resíduos e reduzir os impactos ambientais gerados, várias pesquisas estão sendo desenvolvidas. Os resíduos gerados no beneficiamento de caulim têm mostrado desempenho satisfatório quando utilizados na composição de argamassas de alvenaria, em tijolos e blocos de cimento e concreto de cimento portland, e em pavimentação.

A incorporação dos resíduos oriundos do beneficiamento de caulim em pavimentação possibilitará: uma redução dos recursos naturais utilizados nessa atividade; uma nova alternativa de disposição final desses resíduos, antes não removidos; uma agregação de valor ao mesmo, uma vez que substituirá parte dos agregados convencionais utilizados na pavimentação; e uma redução dos problemas ambientais.

1.1 OBJETIVOS DA PESQUISA

1.1.1 Objetivo Geral

(23)

1.1.2 Objetivos Específicos

ƒ Caracterizar física, térmica e mineralogicamente o resíduo grosso gerado no beneficiamento do caulim;

ƒ Caracterizar fisicamente os materiais convencionais empregados na mistura asfáltica em estudo;

ƒ Estimar e avaliar o comportamento volumétrico e mecânico das misturas que incorporaram o resíduo, tomando como parâmetro balizador o comportamento obtido na mistura convencional;

(24)

CAPÍTULO 2

RESÍDUO ORIUNDO DO BENEFICIAMENTO DE CAULIM

2.1 O CAULIM

O caulim é um material argiloso de cor branca, quando puro. É formado por silicatos de alumínio hidratado, cuja composição química aproxima-se de Al2O3.2SiO2.2H2O, sendo a caulinita e a haloisita seus minerais predominantes.

Também podem ocorrer os minerais do grupo caulinita: diquita, nacrita, folerita, anauxita, colirita e tuesita.

Segundo Silva (2001), o caulim pode conter outros elementos na forma de impurezas, os quais podem atingir de 40 a 50% em volume do material extraído. Esses são constituídos, de modo geral, por areia, quartzo, palhetas de mica, grãos de feldspato, óxidos de ferro, titânio e manganês.

2.1.1 Tipos de Caulim

Segundo Bristow (1987a, 1987b) apud Luz e Chaves (2000) os caulins são produtos de alteração de silicatos de alumínio, principalmente dos feldspatos, e podem ocorrer em dois tipos de depósito: primário ou residual (eluvial) e secundário.

O caulim primário é resultado da alteração de rochas in situ pela ação de intemperismo, hidrotermal ou solfatara. Já o caulim secundário resulta da deposição de materiais transportados por corrente de água doce.

(25)

2.1.2 Aplicações

Atualmente as principais aplicações do caulim são como material de enchimento (filler) no preparo de papel; como agente de cobertura (coating) para papel couché e na composição das pastas cerâmicas. Em menor escala, é usado na fabricação de materiais refratários, plásticos, borrachas, tintas, adesivos, cimentos, inseticidas, pesticidas, produtos alimentares e farmacêuticos, catalisadores, absorventes, dentifrícios, clarificantes, fertilizantes, gesso, auxiliares de filtração, cosméticos, produtos químicos, detergentes e abrasivos, além de cargas e enchimentos para diversas finalidades.

2.1.3 Reservas e Produção

Segundo Silva (2001), as reservas mundiais de caulim são bastante abundantes e de ampla distribuição geográfica. Porém, apenas quatro países detêm cerca de 95,0% de um total estimado de aproximadamente 14,2 bilhões de toneladas: Estados Unidos (53,0%), Brasil (28,0%), Ucrânia (7,0%) e Índia (7,0%).

No Brasil, os Estados do Amazonas, Pará e Amapá detêm a maior parte da reserva nacional de caulim, participando, respectivamente, com 63,4%, 18,9% e 8,9%. O Nordeste possui uma pequena parcela desse total (0,51%).

Segundo o mesmo autor, em 2000, foram beneficiadas cerca de 1.735.000 toneladas de caulim no Brasil. A produção bruta, a qual foi destinada principalmente às usinas de beneficiamento, atingiu 3,7 milhões de toneladas.

2.2 O CAULIM DO MUNICÍPIO DE EQUADOR-RN

2.2.1 O Município de Equador-RN

De acordo com a Superintendência do Desenvolvimento do Nordeste – SUDENE (2000), o município de Equador (Figura 2.1) está localizado no estado do Rio Grande do Norte (RN), na mesorregião Central Potiguar e na microrregião Seridó Oriental, abrangendo uma área de 312 km2.

(26)

vivem na área urbana (76,30%) e 1.340 na área rural (23,70%). A população atual estimada é de 5.772 habitantes.

FIGURA 2.1 Mapa de localização do município de Equador.

De acordo com a Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais – CPRM (2005), esta região apresenta condições desfavoráveis à agricultura por possuir baixa pluviometria, ter grande susceptibilidade à erosão e impedimentos de uso de máquinas agrícolas, em decorrência do relevo ondulado e montanhoso, pedregosidade, rochosidade e pequena profundidade do solo. Além desses fatores é uma região de elevada quantidade de minérios, favorecendo assim a implantação de atividades de extração e beneficiamento dos mesmos.

2.2.2 Extração e Beneficiamento do Caulim

(27)

(a) (b)

FIGURA 2.2 Extração do caulim: (a) Equipamento utilizado para a descida de trabalhadores para as galerias; (b) Vista da galeria. (Sakamoto, 2003).

O beneficiamento do caulim é realizado a úmido e é constituído pelas etapas apresentadas na Figura 2.3.

FIGURA 2.3 Esquema dos processos realizados na indústria de beneficiamento de caulim em Equador-RN.

O beneficiamento inicia-se com a adição de água ao caulim bruto e a desagregação do mesmo em um misturador (Figura 2.4 a). A seguir, a polpa é transportada por gravidade para a etapa de peneiramento. Nesse transporte ocorre o desareamento, no qual são sedimentados os materiais mais grosseiros, constituídos por mica, quartzo, feldspato, entre outros. Esse material é removido manualmente (figura 2.4 b), através de pás perfuradas, e depositados em terrenos da empresa.

Trituração Ensacamento

Comercialização Pilha de estocagem

do caulim bruto

Desagregação

através de misturadores

Desareamento

Peneiramento

através de peneiras no200 e 325

Estocagem

em tanques de decantação

Filtragem

em filtro prensa

Resíduo fino

Secagem

das tortas ao ar livre

Calcinação

em fornos à lenha

Água

(28)

(a) (b)

FIGURA 2.4 Beneficiamento do caulim: (a) Misturador utilizado na desagregação do caulim bruto; (b) Remoção do resíduo grosso.

Na etapa de peneiramento (Figura 2.5 a) ocorre a classificação das partículas da mistura. Essa etapa é formada por um conjunto de peneiras de malha número 200 (0,074 mm) e 325 (0,044 mm), que estão empilhadas em ordem crescente da abertura da malha. Todo o material é passado na peneira No 200. Caso seja necessário um melhor refinamento do minério, a polpa também deve ser submetida à peneira de No 325. O material retido nas peneiras de Nº 200 (Figura 2.5 b) é rejeitado e consiste no resíduo fino da cadeia produtiva do caulim.

(a) (b)

FIGURA 2.5 Peneiramento do caulim: (a) Peneiramento; (b) Resíduo fino.

(29)

altura em relação ao primeiro. O processo se repete, ocorrendo o transbordamento para outros tanques, onde ficam depositadas as partículas de caulim.

FIGURA 2.6 Tanques de decantação.

A água superficial que não transborda é vazada para um outro tanque. Essa água é reutilizada na fase inicial de dispersão do minério bruto.

O material sedimentado em cada tanque é escolhido, de acordo com a sua utilização final, de onde segue, por bombeamento, para etapa de filtração.

Na etapa de filtração (Figura 2.7) retira-se a água do material proveniente dos tanques. Este processo é realizado através do método da prensagem, em que a mistura é recalcada para dentro de filtros prensa, obtendo-se assim uma torta com cerca de 65% de sólidos.

FIGURA 2.7 Filtro prensa.

(30)

(a) (b) (c)

FIGURA 2.8 Secagem das tortas: (a) Exposição das tortas ao sol; (b) Prateleiras utilizadas na exposição das tortas às correntes de ar e ao sol; (c) Forno à lenha.

Depois da calcinação são trituradas, ensacadas e destinadas à comercialização.

2.2.3 Resíduo Gerado no Beneficiamento de Caulim

No beneficiamento do caulim são gerados dois tipos de resíduo: um grosso, denominado localmente de “sarrabulho” e outro fino, denominado localmente de “siri”.

Cerca de 70% do caulim extraído, no município de Equador, é desperdiçado, por não ser aproveitado pela indústria ou qualquer outro segmento. Os resíduos são depositados a céu aberto em terrenos das empresas de beneficiamento (Figura 2.9), ocupando assim uma grande área. Quando secos, suas partículas finas são espalhadas pela ação do vento, ocasionando poluição do ar.

(a) (b)

(31)

2.3 UTILIZAÇÃO DO RESÍDUO ORIUNDO DO BENEFICIAMENTO DE CAULIM

NA CONSTRUÇÃO CIVIL

Visando mitigar os impactos produzidos no beneficiamento de caulim, no que se refere à quantidade de resíduo, as empresas responsáveis por essa atividade têm investido em pesquisas que visam proporcionar a valorização e a redução dos impactos ambientais provocados pelos mesmos.

Segundo Lima (2005), o resíduo de mineração de caulim na região da Paraíba e Rio Grande do Norte não é tóxico, pois durante o beneficiamento não ocorre adição química ao processo, restando um material formado por pedaços de rocha decomposta e britada durante a extração do caulim. Sendo assim esses rejeitos podem ser aplicados largamente na construção civil sem restrições ambientais.

Várias pesquisas vêm sendo desenvolvidas nas regiões de mineração de caulim da Paraíba e do Rio Grande do Norte, com vista ao emprego do resíduo em argamassas, tijolos e blocos de concreto de cimento portland, tijolos cerâmicos e pavimentação. A seguir, são apresentados alguns resultados referentes às três primeiras aplicações. O uso em pavimentação é apresentado no item 3.5 do capítulo 3.

ƒ Adição do resíduo em argamassas

Pereira e Dantas (2005) utilizaram o resíduo fino na composição de argamassa de assentamento interno. Realizou-se a caracterização do material, conforme as normas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), e ensaios de compressão axial, para avaliar o comportamento mecânico dos traços com a incorporação do resíduo. Os resultados permitiram classificar o resíduo como pouco plástico. O melhor traço obtido na pesquisa foi 1:2:8, de cimento, cal e resíduo, o qual apresentou uma resistência de 2,5 MPa.

(32)

argamassas (chapisco, assentamento, emboço e reboco), em substituição a uma parte da cal, mantendo as mesmas proporções de cimento e areia. E no segundo, a areia foi completamente substituída pelo resíduo, mantendo a mesma proporção de cal nos traços de argamassas de assentamento, emboço e reboco. Seu comportamento mecânico foi determinado através da medida da resistência à compressão simples e resistência à tração indireta. Os resultados obtidos mostraram que os traços de argamassa contendo resíduo de caulim se encontram dentro das normas da ABNT, efetivando assim a viabilidade da utilização desse resíduo. O trabalho sugere inclusive que a proporção de resíduo, nos traços de argamassa estudados no primeiro estudo, poderá ser aumentada.

ƒ Fabricação de tijolos e blocos de concreto de cimento portland

Lima e Dantas (2005) utilizaram os dois rejeitos (grosso e fino) na produção de tijolos a serem utilizados na construção civil. Foram realizados ensaios de caracterização do material, conforme as normas da ABNT, e de resistência à compressão dos tijolos. O corpo de prova que alcançou o melhor resultado de resistência aliado à economia, foi confeccionado com o traço composto por cimento, cal, resíduo fino e resíduo grosso, na proporção de 1:1:3:7, respectivamente. O mesmo obteve a resistência à compressão de 4,58 MPa, aos 07 (sete) dias de teste, possuindo então uma resistência superior à exigida pela ABNT para tijolos de vedação.

(33)

comparados aos convencionais de mesmo traço. Os valores de resistência e absorção obtidos em todos os blocos moldados com o resíduo de caulim estão em conformidade com as normas da ABNT.

ƒ Fabricação de tijolos cerâmicos

(34)

CAPÍTULO 3

UTILIZAÇÃO DE RESÍDUOS EM PAVIMENTAÇÃO

3.1 PAVIMENTAÇÃO

O pavimento é uma estrutura em camadas, que recebe, em sua superfície, solicitações do tráfego de veículos, através das rodas pneumáticas, e se apóia diretamente sobre o subleito. Essa estrutura deve ser econômica e:

ƒ resistir e distribuir, convenientemente, ao subleito os esforços verticais oriundos

do tráfego;

ƒ resistir aos esforços horizontais (desgaste), tornando mais durável a superfície de rolamento;

ƒ resistir às ações de intemperismo;

ƒ melhorar as condições de rolamento dos veículos quanto ao conforto, segurança e aderência.

As camadas que constituem o pavimento são compostas de materiais granulares (solo, pedregulho, cascalho, pedra britada etc.) podendo ser acrescidos de um material estabilizante (cal, cimento, betumes etc.) para melhorar as propriedades físicas do material granular.

Os pavimentos mais simples são constituídos por base e revestimento. Mas podem ainda constituir-se de outras camadas adicionais como regularização e reforço do subleito e a sub-base, conforme a sua necessidade. Essas camadas, a partir do subleito, vão ficando técnica e economicamente mais nobres à medida que elas se aproximam do revestimento.

(35)

da fundação do pavimento (subleito, no caso de pavimento novo, ou estrutura existente, no caso de reforço de pavimento).

O pavimento geralmente possui uma vida útil curta, em torno de 10 a 20 anos. Por esse motivo a compreensão dos processos de deterioração e destruição do pavimento é de vital importância. Segundo Higgins (1987) apud Amaral (2000), alguns dos fatores que afetam a qualidade e a durabilidade dos pavimentos são: a má qualidade dos agregados e do material asfáltico; graduação inadequada; mau dimensionamento e execução; volume de tráfego e carga dos veículos pesados; variações térmicas diárias; temperaturas baixas; gelo e degelo; temperaturas altas; oxidação do asfalto e água.

3.1.1 Classificação dos Pavimentos

Os pavimentos podem ser classificados em função do seu comportamento como: rígido, flexível e semi-rígido.

Os pavimentos rígidos (Figura 3.1 a) são constituídos principalmente por concreto de cimento Portland. Eles apresentam deformações elásticas pequenas, trabalham à tração e seu dimensionamento é comandado pela resistência do próprio pavimento.

Os pavimentos semi-rígidos (Figura 3.1 b) são caracterizados por possuir uma base cimentada quimicamente. Por exemplo, uma camada de solo cimento revestida por uma camada asfáltica.

(36)

(a) (b) (c) FIGURA 3.1 Tipos de pavimento: (a) Rígido; (b) Semi-rígido; (c) Flexível.

3.1.2 Revestimento Asfáltico

O revestimento é a camada que receberá diretamente os esforços normais, tangenciais e de sucção aplicados pelas rodas dos veículos. Consiste de uma mistura de agregados minerais e materiais asfálticos destinada a resistir os esforços devido ao tráfego, promover comodidade e resistência ao deslizamento da superfície de rolagem e impermeabilizar e proteger todo o pavimento e subleito dos efeitos prejudiciais da água.

Segundo o Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transporte – DNIT, os revestimentos asfálticos podem ser agrupados de acordo com o esquema apresentado na Figura 3.2.

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ asphalt" -sheet " asfáltico concreto betume areia densa tipo graduação de misturado -pré aberta tipo graduação de misturado -pré usina em mistura Por asfáltico Macadame asfálticos is superficia Tratamento penetração Por Asfáltico to Revestimen

FIGURA 3.2 Classificação dos revestimentos asfálticos. (DNIT, 2006a).

Os revestimentos por penetração consistem em aplicações alternadas de ligante asfáltico e agregados minerais, em operações simples ou múltiplas. São classificados como direto ou invertido, em função da forma de penetração do ligante asfáltico. Revestimento Asfáltico Base Cimentada Subleito Sub-base granular h3 h2 h1 Subleito Revestimento Asfáltico Base granular Sub-base granular

Reforço do Subleito

h3

h2

h1

h4

Placa de Concreto

Subleito

Sub-base granular

h1

(37)

Os tratamentos superficiais podem ser ainda classificados como simples, duplo ou triplo, em função da quantidade de aplicações de agregado/ligante. O número de aplicações dependerá da utilização dada a esse revestimento.

O macadame asfáltico é um revestimento por penetração direta contendo duas aplicações de agregado/ligante. Ele diferencia-se do tratamento superficial na faixa granulométrica utilizada (mais grossa) a qual proporciona uma maior espessura à camada.

Nos revestimentos asfálticos por mistura, o agregado é pré-envolvido com o material asfáltico, antes da compressão. Dependendo da temperatura de espalhamento da mistura na pista podem ser classificados em pré-misturado a frio ou a quente. Nas misturas a frio os ligantes asfálticos utilizados são emulsões asfálticas ou os asfaltos diluídos de petróleo (ADP). Já nas misturas a quente, aplica-se o cimento asfáltico de petróleo (CAP). Esse tipo de revestimento pode ser ainda classificado conforme a graduação dos agregados com que são executados em: de graduação aberta ou densa.

Segundo DNIT (2006a), o revestimento areia-betume é um pré-misturado formado por agregados com diâmetros menores que 2,0 mm. O sheet-asphalt é semelhante ao areia betume, no que se refere a granulometria, mas obedece a exigências rigorosas em sua dosagem e construção.

O Concreto Asfáltico é um pré-misturado à quente de graduação densa, em que são feitas rigorosas exigências no que se diz respeito a equipamentos de construção e índices tecnológicos – como granulometria, teor de betume, estabilidade, vazios entre outros.

(38)

3.2 CONCRETO ASFÁTICO

Segundo DNIT (2006b), o Concreto Asfáltico (CA) é o mais nobre dos revestimentos flexíveis. Consiste em uma mistura asfáltica à quente executada em usina apropriada, com características específicas, compostas de agregado graduado, material de enchimento (filler) e cimento asfáltico, espalhada e compactada à quente.

Conforme a posição relativa e a função na estrutura, o concreto asfáltico deve atender a características especiais em sua formulação, recebendo geralmente as seguintes designações (Pinto e Preussler, 2002):

ƒ Camada de rolamento ou capa asfáltica – Camada superior da estrutura

responsável em receber diretamente a ação do tráfego. A mistura empregada deve apresentar estabilidade e flexibilidade compatíveis com o funcionamento elástico da estrutura e condições de rugosidade que proporcionem segurança ao tráfego, mesmo sob condições climáticas e geométricas adversas;

ƒ Camada de ligação ou binder – Camada posicionada imediatamente abaixo da capa. Essa camada apresenta uma maior porcentagem de vazios e menor relação betume-vazios, se comparada à capa asfáltica. Além disso, possui agregados de maior diâmetro máximo.

ƒ Camada de nivelamento ou regularização – Serviço executado com massa asfáltica de graduação fina, com a função de corrigir deformações ocorrentes na superfície de um antigo revestimento e, simultaneamente, promover selagem de fissuras existentes.

3.2.1 Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP)

Segundo Mourão (2003), o CAP é um material termoplástico adequado para aplicação em trabalhos de pavimentação, pois, além de suas propriedades aglutinantes e impermeabilizantes, possui características de flexibilidade, durabilidade e alta resistência à ação da maioria dos ácidos, sais e álcalis.

(39)

Tanto o tipo quanto a quantidade de ligante influenciam nos parâmetros volumétricos e mecânicos da mistura asfáltica.

De acordo com Coelho (1992), as propriedades plásticas de um concreto asfáltico são fortemente influenciadas pelo comportamento do CAP, diante das variações de temperatura e das ações do tráfego. Sendo assim, ligantes mais viscosos, ou de menor penetração, tendem a produzir misturas mais rígidas (ou menos plásticas), com maior estabilidade e menor fluência e são mais adequadas a regiões de clima mais quente e de tráfego elevado.

O CAP 50/70 é convencionalmente utilizado para revestimentos de Concreto Asfáltico no Nordeste. Porém, estudos realizados por Soares et al. (1999), em uma pista experimental no Ceará, indicam a possibilidade de uso do CAP 30/45 nessas regiões. Foram comparadas pistas experimentais que empregaram CAP 30/45 e CAP 50/70. Os resultados indicaram que a pista contendo o CAP mais consistente apresentou inicialmente deflexões ligeiramente inferiores, mas com o passar do tempo apresentou o mesmo patamar da pista contendo o CAP menos consistente. Além disso, analisou-se a densidade aparente, a resistência à tração estática e o módulo de resiliência à compressão diametral da mistura utilizada em cada pista. Verificou-se uma diferença estatística no caso de resistência à tração estática, sendo mais resistente a mistura com o CAP 30/45. Esta diferença não se repetiu quando se considera o módulo de resiliência ou a densidade aparente das misturas.

Segundo o Road Research Laboratory (1962) apud Coelho (1992), o bom desempenho mecânico e a durabilidade de uma mistura asfáltica depende da dosagem certa da quantidade de ligante. O excesso de ligante pode acarretar uma superlubrificação das partículas granulares, reduzindo drasticamente seu atrito interno e produzindo misturas com tendência à instabilidade e baixa resistência à deformação. Por outro lado, as misturas com ligante insuficiente, podem expor a camada asfáltica aos riscos de desagregação granular com diminuição da sua estabilidade, durabilidade e flexibilidade.

(40)

3.2.2 Materiais Granulares

A quantidade de agregado mineral em misturas asfálticas de pavimentação é geralmente de 90 a 95% em peso ou 75 a 85% em volume. Eles devem conferir resistência mecânica e flexibilidade à camada de rolamento. Para isso, é necessário que se tenha um concreto asfáltico com um esqueleto mineral estável e eficaz na transmissão dos esforços, uma boa resistência mecânica e aderência ao ligante asfáltico.

Coelho (1992) relata, em seu artigo, que os materiais granulares exercem grande influência nos parâmetros volumétricos e mecânicos do Concreto Asfáltico. Para isso, deve-se levar em consideração: a composição mineralógica, a forma (geometria), a textura superficial, a porosidade e a granulometria dos agregados, bem como a proporção dos diversos materiais granulares na composição da mistura.

A composição mineralógica da rocha matriz, que dá origem aos materiais granulares, influencia principalmente o desempenho de misturas asfálticas no que se refere à adesão e aos danos por umidade. Furlan et al. (2004) relata que os agregados podem ser classificados em ácidos e básicos (Figura 3.3), de acordo com a quantidade de sílica (SiO2) presente. O aumento do teor de sílica num agregado

aumenta a sua afinidade com a água. Os agregados básicos, como basalto, devido a menor concentração de sílica em suas composições, tendem a desenvolver melhores ligações com o asfalto.

(

)

(

)

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ Quartzo Arenito Gnaisse Granito Calcário Gabro Diabásio Basalto CAP ao afinidade má Ácidos CAP ao afinidade boa Básicos Agregado

(41)

Os agregados de forma cúbica e angulosa e de textura rugosa ou áspera proporcionam um aumento do ângulo de atrito interno entre os grãos e uma melhor ligação asfalto-agregado, elevando assim a estabilidade da mistura.

O agregado deve possuir um certo grau de porosidade, a qual deve proporcionar uma melhor adesão entre o agregado e o ligante. Porém se o agregado for muito poroso absorverá grandes quantidades de asfalto, diminuindo assim a espessura do ligante que o envolve. Essa diminuição torna a mistura frágil e mais suscetível às ações do clima, da água e do tráfego.

Segundo Bonet (2002), a granulometria é responsável pela distribuição interna dos grãos, de maneira que acontece um contato mais íntimo entre as partículas de grãos maiores e as partículas de grãos menores. A função das partículas de grãos menores é preencher os vazios deixados pelos grãos maiores. Falhas na curva granulométrica (ausência de determinados tamanhos de partículas) podem gerar misturas com qualidade não-satisfatória.

Segundo o DNIT (2006b), o concreto asfáltico deve satisfazer aos requisitos de granulometria e percentuais de ligante apresentados na Tabela 3.1.

TABELA 3.1 Especificações do DNIT para composição granulométrica do concreto asfáltico.

PENEIRA DE

MALHA QUADRADA % EM MASSA, PASSANDO

Série (ASTM)

Abertura

(mm) A B C Tolerâncias

2” 50,8 100 - - -

1 ½” 38,1 95 – 100 100 - ± 7%

1” 25,4 75 – 100 95 – 100 - ± 7%

¾” 19,1 80 – 90 80 – 100 100 ± 7%

½” 12,7 - - 80 – 100 ± 7%

3/8” 9,5 35 – 65 45 – 80 70 – 90 ± 7%

No 4 4,8 25 – 50 28 – 60 44 – 72 ± 5%

No 10 2,0 20 – 40 20 – 45 22 – 50 ± 5%

No 40 0,42 10 – 30 10 – 32 8 – 26 ± 5%

No 80 0,18 5 – 20 8 – 20 4 – 16 ± 3%

No 200 0,075 1 – 8 3 – 8 2 – 10 ± 2%

Asfalto solúvel no CS2(+) (%)

4,0 – 7,0

Camada de ligação (binder)

4,5 – 7,5

Cam. de ligação e rolamento

4,5 – 9,0

Camada de rolamento

(42)

No Rio Grande do Norte geralmente utiliza-se a faixa C (Figura 3.4) do DNIT para composição de desse tipo de mistura asfáltica.

0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0% 80,0% 90,0% 100,0%

0,01 0,10 1,00 10,00 100,00

Diâmetro dos Grãos (mm)

P

o

rcen

tag

em q

u

e

p

assa

Máximo

Mínimo

Tendência Central da faixa C

FIGURA 3.4 Distribuição granulométrica dos limites da faixa C, especificada pelo DNIT, para concretos asfálticos e curva central de distribuição granulométrica obtida

a partir das curvas limites.

Soares et al. (2000) estudaram a variação das propriedades mecânicas de misturas em função da variação das faixas granulométricas de Concreto Betuminoso Usinado a Quente – CBUQ, considerando três tipo de CAP. Os resultados mostraram que para os CAP 30/45 e 50/60, a mistura na Faixa A do DNIT obteve maior vida de fadiga do que a mistura na Faixa B, e esta maior do que a mistura na Faixa C, indicando que quanto mais grossa a faixa granulométrica, maior a vida de fadiga da mistura.

3.2.2.1 Agregados Graúdos

Segundo o DNIT (2006a), é o material retido na peneira No 10 (2,0 mm), podendo ser: pedra britada, escória ou seixo rolado, preferencialmente britado.

(43)

sulfato de sódio, apresentar perda inferior a 12%, em 05 (cinco) ciclos. Essa norma ainda limita o diâmetro máximo desses agregados em 2/3 da espessura da camada de rolamento acabada.

Brown et al. (1986) apud Barra (2005) citam um trabalho apresentado em um simpósio da American Standardization for Testing and Materials (ASTM), o qual indica as vantagens de se utilizar agregados graúdos em misturas asfálticas. Os resultados de testes mostraram que tanto a estabilidade quanto a resistência à tração diminuem com o aumento do teor de vazios do agregado mineral (VAM), o que é atribuído, geralmente, aos agregados de menores dimensões. Citam ainda benefícios de se utilizar agregados de maiores dimensões, como: melhora da resistência à derrapagem e a obtenção de baixos teores ótimos de ligante para as misturas asfálticas.

Coelho (1992) cita pesquisas realizadas pelo Road Research Laboratory nas quais foram estudadas misturas betuminosas com porcentagens crescentes de agregado graúdo, em relação aos materiais granulares da mistura. Os resultados mostram que quando a porcentagem de agregados graúdos é da ordem de 40% a 50%, as partículas do mesmo começam a se tocar, formando um tipo de estrutura mecânica, cuja estabilidade Marshall e resistência às deformações permanentes tendem a crescer até um limite máximo, representado pela porcentagem de 60% de agregado graúdo. Ao mesmo tempo, a porcentagem ótima de ligante betuminoso, na mistura, tende a diminuir.

3.2.2.2 Agregados Miúdos

Segundo o DNIT (2006a), é o material que passa na peneira No 10 (2,0 mm) e fica retido na peneira No 200 (0,075 mm), podendo ser: areia, pó-de-pedra ou mistura de ambos.

(44)

O agregado miúdo possui a função de preencher os vazios deixados pela estrutura formada pelos agregados graúdos. A areia e o pó de pedra são os agregados miúdos mais utilizados nos Concretos Asfálticos produzidos no Rio Grande do Norte.

Segundo Barra (2005), a aplicação de areia em arranjos estruturais das misturas asfálticas é bastante difundida no Brasil. Isso se deve à abundância de jazidas com grande potencial de exploração em grande parte do País (principalmente nas regiões Nordeste e Norte) e ao preço mais acessível em relação aos outros finos.

Porém as areias são formadas por grãos arredondados e envolvidos por silicatos (SiO4) que quando misturados aos demais componentes das misturas

asfálticas comprometem a estabilidade do arranjo dos grãos, por gerarem um ângulo de atrito deficiente entre as partículas, aumentando assim a possibilidade de aparecimento de deformações permanentes.

O pó de pedra possui uma angulosidade mais favorável e um bom intertravamento das partículas nas misturas asfálticas, mas podem apresentar minerais que prejudiquem a qualidade e durabilidade das misturas asfálticas.

3.2.2.3 Material de Enchimento (filler)

Segundo a norma EM 367/97 do DNIT, o filler é um material mineral inerte em relação aos demais componentes da mistura, finamente dividido, passando pelo menos 65% na peneira de 0,075 mm de abertura de malha quadrada. Ele deve ser homogêneo, seco e livre de grumos provenientes de agregações das partículas finas. A Tabela 3.2 apresenta as especificações do DNIT quanto a granulometria desse material.

TABELA 3.2 Especificações do DNIT para o filler contido nas misturas asfálticas.

PENEIRA % MÍNIMA PASSANDO

No 40 100

No 80 95

(45)

O filler pode ser constituído de partículas minerais provenientes dos agregados graúdos e/ou miúdos empregados na mistura asfáltica (filler natural), ou de outras fontes (filler artificial) como é o caso, por exemplo, do pó calcário, cal hidratada, cimento Portland, entre outros.

O filler é incorporado à mistura asfáltica para melhorar seu desempenho reológico, mecânico, térmico e de sensibilidade à água. Isso ocorre devido às mudanças, que o mesmo proporciona, nas propriedades químicas e físicas do

ligante. Essas mudanças dependem, segundo Kavussi e Hicks (1997) apud

Cavalcante e Soares (2001), do tipo de filler (graduação, forma dos grãos, etc.), da natureza do mesmo (sua atividade físico-química que afeta a afinidade com o asfalto) e de sua concentração na mistura.

Quanto à granulometria, o filler exerce duas funções na mistura: preencher os vazios entre os agregados graúdos e miúdos, ajudando a formar o esqueleto mineral (filler agregado); e, aumentar a viscosidade do ligante e, portanto, sua resistência à deformação (filler ativo).

Segundo Motta e Leite (2000) apud Mourão (2003), o filler agregado é formado por partículas de diâmetro maior que 40μm, as quais tendem a preencher os vazios do esqueleto mineral, aumentando a densidade – conseqüentemente decrescendo o índice de vazios – e a resistência da mistura quando compactada e alterando o teor ótimo de ligante. Já o filler ativo, o qual é formado por partículas de diâmetro menor que 20 μm, atuará muito mais no próprio ligante, incorporando-se ao cimento asfáltico formando assim o mastique. Esse tipo de filler proporciona um aumento na viscosidade e no ponto de amolecimento do CAP, uma redução na suscetibilidade térmica do mesmo e um aumento na rigidez da mistura.

(46)

agregados, tornando o material asfáltico muito duro, levando-o a misturas rígidas, frágeis e quebradiças.

Um mastique bem dosado é, segundo Ruiz (1943) apud Barra (2005), aquele em que todas as partículas do filler estão em suspensão no cimento asfáltico, portanto não se tocam, formando assim um mastique homogêneo. Sendo assim, ele propõe o cálculo da concentração volumétrica (C) (Equação 3.1) para a dosagem de uma mistura asfáltica.

1 %

% 1

+ =

Db Df f b

C (Equação 3.1)

onde:

C = concentração volumétrica;

%b = percentagem de betume na amostra total; %f = percentagem de filler na amostra total; Df = massa específica real do filler; e, Db = massa específica real do asfalto.

Existe uma concentração limite (concentração crítica – Cs) para quantidade de

filler em uma mistura asfáltica, a partir da qual a mesma proporcionará

características indesejáveis à mistura. Ruiz (1943) apud Barra (2005) recomenda utilizar concentrações de filler 10% a 20% menor que a concentração crítica.

Segundo Mourão (2003), o uso da cal hidratada como filler possui um efeito mais significativo, em comparação com o cimento ou com o pó de pedra. Isso porque a cal hidratada tem em geral 80% de partículas de tamanho menor ou igual a 20μm; por outro lado, o cimento tem uma distribuição muito mais contínua, com diâmetro médio de aproximadamente 60μm, o pó de pedra, por sua vez, possui graduação mais grossa com grande proporção de partículas maiores que 40μm.

3.2.3 Composição Volumétrica

A composição volumétrica entre o ligante asfáltico e os agregados é considerada um parâmetro importante para avaliar o comportamento das misturas asfálticas, pois influencia a estabilidade e a durabilidade do pavimento.

(47)

TABELA 3.3 Composição volumétrica especificada pelo DNIT para o Concreto Asfáltico.

CARACTERÍSTICAS CAMADA DE ROLAMENTO

Porcentagem de vazios, % 3 a 5

Relação betume vazios, % 75 a 82

Ainda, segundo o DNIT,as misturas devem atender aos mínimos de vazios do agregado mineral, dados pela Tabela 3.4.

TABELA 3.4 Mínimo de vazios do agregado mineral especificados pelo DNIT.

VAM – VAZIOS DO AGREGADO MINERAL Tamanho Nominal Máximo do agregado

Peneira Abertura (mm)

VAM mínimo %

1 ½” 38,1 13

1” 25,4 14

¾” 19,1 15

½” 12,7 16

3/8” 9,5 18

O tamanho nominal máximo do agregado corresponde à abertura da peneira situada logo após o diâmetro correspondente a 10% da mistura retida.

ƒ Densidades da mistura asfáltica

à Densidade aparente (Da)

É a relação entre o peso seco e o peso submerso do corpo de prova (Equação 3.2). Através dos valores de densidade aparente obtidos em laboratório, pode-se controlar o processo de compactação da mistura na pista fazendo a comparação dos mesmos com os valores de densidade aparente obtidos na pista. Além disso, pode-se relacionar as energias de compactação utilizadas em laboratório, com o processo de execução das camadas betuminosas nas pistas.

e a

a a

P P

P D

= (Equação 3.2)

onde:

Da = densidade aparente da mistura; Pa = peso do corpo de prova no ar, g;

(48)

à Densidade máxima teórica (DMT)

A densidade máxima teórica representa a densidade real de mistura sem vazios. Ela é calculada através da ponderação das densidades reais dos materiais constituintes da mistura, como mostra a Equação 3.3.

n n b G M G M G M G b DMT % ... % % % 100 2 2 1

1 + + +

+

= (Equação 3.3)

onde:

DMT = densidade máxima teórica;

%b = a porcentagem de asfalto empregado na mistura, %;

%Mi = a porcentagem de cada material empregado na mistura, %;

Gb = a densidade real do asfalto empregado na mistura;

Gi = a densidade real da massa dos grãos de cada material empregado na mistura.

3.2.3.1 Volume de Vazios (Vv)

O volume de vazios total de uma mistura é a porcentagem de vazios não preenchidos com ligante betuminoso. Ou seja, é o volume dos espaços vazios do corpo de prova expresso, percentualmente, em relação ao volume aparente do mesmo, como mostra a Equação 3.4.

100 × − = DMT D DMT V a

v (Equação 3.4)

onde:

Vv = volume de vazios da mistura, %;

DMT = a densidade máxima teórica da mistura; Da = a densidade aparente do corpo de prova.

(49)

3.2.3.2 Vazios do Agregado Mineral (VAM)

É o volume de vazios entre as partículas dos agregados minerais da mistura compactada, que incluem os vazios de ar e os vazios preenchidos pelo betume, expresso em porcentagem do volume total da mistura, como indicado nas Equações 3.5 e 3.6, abaixo.

b

v V

V

VAM = + (Equação 3.5)

b a b

G b D

V = ⋅% (Equação 3.6)

onde:

VAM = o volume de vazios do agregado mineral, %; Vv = o volume de vazios da mistura, %;

Vb = o volume de vazios preenchidos com asfalto, %; Da = a densidade aparente do corpo de prova;

%b é a porcentagem de asfalto empregado na mistura, %; Gb é a densidade real do asfalto empregado na mistura.

3.2.3.3 Relação Betume Vazios (RBV)

É a porcentagem de vazios preenchidos com ligante betuminoso, ou seja, é o volume ocupado pelo material betuminoso da mistura, expresso, percentualmente, em relação ao volume de vazios dos agregados minerais. A Equação 3.7 apresenta esta relação.

VAM V

RBV =100⋅ b (Equação 3.7)

onde:

RBV = relação betume vazios, %;

Vb = o volume de vazios preenchidos com asfalto, %; VAM = o volume de vazios do agregado mineral, %.

(50)

3.2.4 Comportamento Mecânico

As principais propriedades mecânicas exigidas numa mistura asfáltica, segundo o Highway Research Board (1955) apud Coelho (1992), são:

ƒ trabalhabilidade;

ƒ durabilidade;

ƒ estabilidade;

ƒ flexibilidade;

ƒ resistência por aderência superficial.

De acordo com Coelho (1992), a estabilidade de um concreto asfáltico é uma propriedade mecânica que mede a capacidade que a mistura tem de suportar os carregamentos oriundos do tráfego sem sofrer deformações plásticas (permanentes e irreversíveis). Ela está associada à resistência do material ao deslocamento (mudança de forma geométrica sem modificação de volume) a qual pode ser medida através da sua resistência às tensões de cisalhamento.

Os principais fatores a influir na estabilidade das camadas betuminosas são:

ƒ granulometria dos agregados;

ƒ a forma (geométrica) e a textura superficial das partículas dos agregados;

ƒ o tamanho máximo das partículas de agregados graúdos;

ƒ a relação entre as quantidades de ligante e de agregados;

ƒ a consistência do ligante;

ƒ a porcentagem do filler presente na mistura;

ƒ o grau de compactação da mistura.

Além desses fatores, ressalta-se que a boa adesividade nas interfaces de camadas adjacentes e boa durabilidade dos agregados são fundamentais para uma boa estabilidade mecânica dessas camadas.

(51)

TABELA 3.5 Comportamento mecânico especificado pelo DNIT para o Concreto Asfáltico.

CARACTERÍSTICAS CAMADA DE ROLAMENTO

Estabilidade mínima (75 golpes), kgf 500

Resistência à Tração por Compressão Diametral

estática a 25ºC, mínima, MPa 0,65

3.2.4.1 Estabilidade Marshall

A estabilidade Marshall trata-se da máxima carga de compressão diametral, suportada pelos corpos de prova.

Segundo Coelho (1992), a estabilidade Marshall mede principalmente a coesão e a viscosidade do ligante asfáltico e, de certa forma, constitui-se também numa medida da estabilidade mecânica dos agregados. No entanto, os parâmetros medidos nesse ensaio têm uma correlação muito limitada com as deformações que ocorrem em escala real, pois, na pista, o material trabalha sob confinamento e a amostra ensaiada é comprimida sem confinamento.

3.2.4.2 Resistência à Tração por Compressão Diametral Estática

No ensaio de tração por compressão diametral estática, a carga é aplicada por compressão diametral em corpos de prova cilíndricos do tipo Marshall, induzindo um estado de compressão na direção vertical e de tração na horizontal.

As misturas asfálticas devem possuir resistência à tração adequada para evitar rupturas precoces.

Para os materiais ensaiados na pesquisa de Soares et al. (2000), observou-se que as misturas com CAP mais consistentes apresentam maior resistência à tração estática, para a mesma faixa granulométrica.

3.3 SUSCETIBILIDADE DAS MISTURAS ASFÁLTICAS À UMIDADE

(52)

enfraquecimento do asfalto na presença de água, que diminui a resistência da união asfalto/agregado, causando uma redução severa na resistência e integridade da mistura.

Segundo Furlan et al. (2004), a suscetibilidade de misturas asfálticas à umidade é um problema complexo, que depende de fatores ambientais, práticas construtivas e características das misturas asfálticas. Os principais fatores que aceleram o aparecimento dos danos causados pela umidade são: o clima e o tráfego. Os fatores construtivos que influenciam a sensibilidade da mistura à umidade são: a qualidade da compactação e as condições do tempo durante o processo de construção do pavimento. Dentre as características das misturas asfálticas destacam-se a natureza do agregado e do asfalto, e o tipo da mistura.

De acordo com os mesmos autores, as propriedades dos agregados são as principais responsáveis pela resistência adesiva entre o asfalto e o agregado. Dentre as principais características dos agregados que influenciam o fenômeno de adesividade pode-se citar a composição mineralógica, a porosidade, a absorção, a forma, a textura e a angularidade.

Para avaliar a suscetibilidade das misturas asfálticas à umidade são empregados, normalmente, dois ensaios em laboratório: o de adesividade dos agregados envolvidos na mistura – através dos métodos de ensaio ME 078/94 e ME 079/94 especificados pelo DNIT – e a resistência ao dano por umidade induzida nas misturas asfálticas (AASHTO T283-02, 1994)

(53)

3.4 UTILIZAÇÃO DE RESÍDUOS COMO AGREGADOS ALTERNATIVOS PARA O

CONCRETO ASFÁLTICO

Souza et al. (2006) analisaram o resíduo proveniente da serragem de rochas graníticas como material de enchimento em concretos asfálticos usinados a quente. As misturas contendo o resíduo como filler foram comparadas com misturas contendo filler convencional (cimento Portland e cal). Essa comparação se deu através da análise das características volumétricas e mecânicas das misturas, obtidas através do Ensaio Marshall. Os resultados encontrados indicam que a utilização do resíduo, proveniente da serragem de rochas graníticas, como filler nas misturas asfálticas em substituição aos produtos convencionais na proporção de 6% de material, satisfaz os métodos de misturas asfálticas, preconizados pelo DNIT, para um teor de 5,5% de cimento asfáltico.

Guimarães et al. (2004) avaliaram a aplicação de resíduos sólidos da construção civil como agregado em mistura asfáltica do tipo Concreto Betuminoso Usinado a Quente – CBUQ. Foram realizados ensaios em laboratório baseados no Método Marshall em duas misturas, contendo diferentes tipos de entulhos como agregados. Na primeira, o entulho era composto por concreto, argamassa e material cerâmico; e na segunda, somente por concreto. Os resultados mostraram que quando o agregado da mistura era formado por entulho contendo diferentes tipos de materiais, a mistura não apresentou resultados satisfatórios. No entanto, ao utilizar como agregado o entulho proveniente apenas de concreto, os resultados demonstraram a viabilidade técnica desse material.

Imagem

FIGURA 2.2 Extração do caulim: (a) Equipamento utilizado para a descida de  trabalhadores para as galerias; (b) Vista da galeria
FIGURA 2.8 Secagem das tortas: (a) Exposição das tortas ao sol; (b) Prateleiras  utilizadas na exposição das tortas às correntes de ar e ao sol; (c) Forno à lenha
FIGURA 3.3 Classificação dos agregados de acordo com sua composição  mineralógica e afinidade ao CAP
TABELA 3.1 Especificações do DNIT para composição granulométrica do concreto  asfáltico
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