UNI V E R S I D A D E F E D E R A L D O C E A R Á C E NT R O D E T E C NOL O G I A
D E PA R T A M E NT O D E E NG E NH A R I A D E T R A NS PO R T E S
PR O G R A M A D E PÓS -G R A D UA Ç Ã O E M E NG E NH A R I A D E T R A NS PO R T E S
M A R I O L E I D E D E F A R I A S X A V I E R
A V A L I A Ç Ã O D O US O D E C I NZ A S D E C A R V Ã O M I NE R A L C O M O M E L H O R A DO R D E A D E S I V I D A D E E M M I S T UR A S A S F Á L T I C A S
MA R IOL E ID E D E F A R IA S X A V IE R
A V A L I A Ç Ã O D O US O D E C I NZ A S D E C A R V Ã O M I NE R A L C O M O M E L H O R A DO R D E A D E S I V I D A D E E M M I S T UR A S A S F Á L T I C A S
D issertaçã o de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduaçã o em E ngenharia de T ransportes da Universidade F ederal do C eará, como requisito parcial para obtençã o do T ítulo de Mestre em C iê ncias (M.S c.). Á rea de concentraçã o: Infraestrutura de T ransportes. Orientadora: V erônica Teixeira F ranco C astelo B ranco, Ph.D .
D ados Internacionais de C atalogaçã o na Publicaçã o Universidade F ederal do C eará
B iblioteca Universitária
Gerada automaticamente pelo módulo C atalog, mediante os dados fornecidos pelo( a) autor(a)
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
X 21a X avier, Marioleide de F arias.
A valiaçã o do Uso de C inzas de C arvã o Mineral como Melhorador de A desividade em Misturas A sfálticas / Marioleide de F arias X avier. – 2016.
118f. : il. color.
D issertaçã o ( mestrado) – Universidade F ederal do C eará, C entro de T ecnologia, Programa de Pós- Graduaçã o em E ngenharia de T ransportes, F ortaleza, 2016.
Orientaçã o: Prof. D r. V erônica T eixeira F ranco C astelo B ranco.
1. Misturas asfálticas. 2. C inza de carvã o mineral. 3. D ano por umidade induzida. I. T ítulo. C D D 388
MA R IOL E ID E D E F A R IA S X A V IE R
A V A L I A Ç Ã O D O US O D E C I NZ A S D E C A R V Ã O M I NE R A L C O M O M E L H O R A DO R D E A D E S I V I D A D E E M M I S T UR A S A S F Á L T I C A S
D issertaçã o de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduaçã o em E ngenharia de T ransportes da Universidade F ederal do C eará, como requisito parcial para obtençã o do T ítulo de Mestre em C iê ncias (M.S c.). Á rea de concentraçã o: Infraestrutura de T ransportes.
A provada em: 16/12/2016.
B A NC A E X A MINA D OR A
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Prof.ª V erônica T eixeira F ranco C astelo B ranco, Ph.D . (Orientadora)
Universidade F ederal do C eará ( UF C )
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Prof. J orge B arbosa S oares, Ph.D . (E xaminador Interno)
Universidade F ederal do C eará ( UF C )
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Prof.ª S andra de A guiar S oares, D ra. (E xaminadora E xterno)
Universidade F ederal do C eará ( UF C )
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Manuela de Mesquita L opes Gennesseaux, D ra. ( E xaminador E xterno).
A D eus.
A G R A D E C I M E NT O S
À Prof.ª V erônica T eixeira F ranco C astelo B ranco, pela excelente orientaçã o e pela ajuda nos momentos difíceis.
A o Prof. J orge B arbosa S oares, pelo apoio e pela parceria com o G rupo E NE V A , incluindo as Usinas T ermoelétricas Pecém I e II.
A o Grupo E NE V A , incluindo as Usinas T ermoelétricas Pecém I e II, pelo apoio financeiro e pelo fornecimento das amostras de cinzas de carvã o mineral.
À Pedreira POL IM IX por ter fornecido todos os agregados usados nesta pesquisa. A o técnico de laboratório R ômulo pelo auxílio e apoio necessário ao desenvolvimento deste trabalho.
A todos que compõem o L MP.
A o professor E duardo C abral e a todos que formam o Grupo de Pesquisa em Materiais de C onstruçã o e E struturas da UF C , pelo apoio acadê mico e pelo fornecimento de resultados.
“B em-aventurado o homem que acha sabedoria, e o homem que adquire conhecimento.” (Provérbios 3:13)
R E S UM O
O dano por umidade causa impactos negativos sobre o pavimento asfáltico, podendo agravar os defeitos comumente encontrados nessas estruturas. O contato com a umidade pode resultar na degradaçã o da adesã o entre o ligante asfáltico e os agregados. E ste trabalho trata da avaliaçã o do uso de cinzas de carvã o mineral como melhoradoras de adesividade em misturas asfálticas, utilizando-as como fíler mineral, e ainda realizando a comparaçã o entre o comportamento mecânico de misturas asfálticas contendo cinza de carvã o mineral, cal hidratada do tipo C H-I e pó de pedra como fíleres. Para o desenvolvimento do presente trabalho foram coletadas cinzas volantes "frescas" diretamente dos silos de processo e cinzas do módulo de armazenamento das usinas termoelétricas, totalizando 34 amostras. A s cinzas de carvã o mineral coletadas no módulo de armazenamento apresentaram granulometria mais graúda em relaçã o à s cinzas volantes “frescas”. A caracterizaçã o química do material coletado, por meio das técnicas de difraçã o e de fluorescê ncia de R aios-x, mostrou que o material coletado é bastante heterogê neo, e que 67,7% das cinzas coletadas sã o pertencentes à C lasse C , segundo norma A ST M C 618/2015, sendo o restante das cinzas enquadradas na C lasse F . C om relaçã o à avaliaçã o aos ensaios de resistê ncia à traçã o, o uso das cinzas de carvã o mineral num percentual de 4% em peso de agregado nã o representou incremento na resistê ncia a traçã o das misturas estudadas, porém quando se utilizou as cinzas associadas à cal percebeu-se aumento na rigidez nas misturas asfálticas estudadas. Na avaliaçã o da resistê ncia ao dano causado pela umidade, por meio do ensaio de L ottman modificado, ficou evidente que o uso de cinzas num teor de 4% em peso de agregado apresentou resultados similares aos do fíler natural, obtendo valores de R R T (R elaçã o de R esistê ncia à T raçã o) médio abaixo de 50%. J á o uso das cinzas associadas à cal representou aumento da resistê ncia ao dano por umidade, obtendo-se R R T médio maior que 80%. R essalta-se que fato de algumas cinzas pertencerem a C lasse C ou F , ou mesmo o fato de algumas cinzas serem mais alcalinas que outras, nã o refletiram em ganhos significativos de resistê ncia ao dano por umidade.
A B S T R A C T
T he moisture damage cause negative impacts on the asphalt pavement, which may aggravate the defects commonl y found in these structures. C ontact with moisture may result in degradation of adhesion between the asphalt binder and the aggregates. T his work deals with the evaluation of the use of coal ash as adhesivity improvers in asphalt mixtures, using them as mineral filer, and also comparing the mechanical behavior of asphalt mixtures containing mineral coal ash, hydrated lime C H -I typeand stone powder as fíleres. F or the development of the present work, were collected fly ashes directly from the process silos and ashes from the storage module of the thermoelectric power plants, totalizing 34 samples. C oal ash collected in the storage module showed a larger grain size than the fly ash. T he chemical characterization of the collected material, through diffraction and X -ray fluorescence techniques, showed that the collected material is quite heterogeneous, with 67.7% of the collected ashes belonging to C lass C , and the rest of the ashes framed In C lass F , according to A S T M C 618 / 2015. R egarding the evaluation of tensile strength tests, the use of coal ash in a percentage of 4% by weight of aggregate did not represent an increase in the tensile strength of the mixtures studied, however, when the ash was associated with lime, occurred a increase in stiffness in the studied asphalt mixtures. In the evaluation of moisture damage, through the useof modified L ottman test, it was evident that the use of ashes at a 4% by weight of aggregate presented results similar to those of the natural filler, obtaining values of average IT S below than 50%. On the other hand, the use of ash associated with lime represented an increase in resistance to moisture damage, obtaining an average ofindirect tensile strength greater than 80%. T he fact of some ashes belong to C lass C or F , or even that some ashes be more alkaline than others, did not reflect significant gains in resistance to moisture damage.
L I S T A D E F I G UR A S
F igura 1 –Materiais obtidos a partir da queima do carvã o em termoelétricas... 7
F igura 2 –Partículas de cinzas volantes vistas ao microscópio eletrônico... 8
F igura 3 – Módulo de R esiliê ncia (MR ) para amostras de misturas asfálticas contendo cinza pesada com fíler em diferentes percentuais... 16 F igura 4 – E feito esquemático da água sobre uma gota de ligante asfáltico em contato com a superfície de um agregado... 19 F igura 5 – F ontes de água para o pavimento... 21
F igura 6 – D ois mecanismos possíveis de dano por umidade. ( a) poro pressã o: gera microtrincas e desagregaçã o, (b) difusã o: causa descolamento do ligante asfáltico... 24
F igura 7 – E squema de tipos de dano causados pela umidade induzida em misturas asfálticas... 25
F igura 8 – Química envolvida na ligaçã o entre o agregado e o ligante asfáltico (E stágio 1)... 27
F igura 9 – Química envolvida na ligaçã o agregado-ligante asfáltico (E stágio 2)... 28
F igura 10 – C lassificaçã o dos vazios na mistura asfáltica... 34
F igura 11 – D ano causado pela umidade expresso através da razã o Nf ( razã o traçã o indireta, para amostras condicionadas e nã o condicionadas) versus o diâmetro médio de V v para uma mistura asfáltica densa contendo agregados graníticos... 35
F igura 12 – E feito da cal na superfície do agregado... 36
F igura 13 – L íquido anti-stripping HP Plus... 38
F igura 14 – C inza volante (fly ash)... 39
F igura 15 – C urvas granulométricas dos agregados coletados na POL IM IX ... 44
F igura 16 – A gregados graníticos usados no programa experimental... 45
F igura 17 – Plano de amostragem de coleta... 46
F igura 18 – Ilustraçã o esquemática e exemplo de C ompactador Giratório S uperpave (C GS )... 47
F igura 19 – Volumes considerados no cálculo de Gmm... 48
F igura 20 – R ealizaçã o do E nsaio de R esistê ncia à T raçã o... 51
coletadas na superfície do módulo de armazenamento (pontos PA 1 a PA
-21)... 59
F igura 23 – V ariaçã o na composiçã o dos principais constituintes químicos para as cinzas coletadas em profundidade do módulo de armazenamento (pontos PP1 e PP2)... 60
F igura 24 – V ariaçã o na composiçã o dos principais constituintes químicos para as cinzas coletadas volantes “frescas” coletas nas Usinas Pecém I e II... 60
F igura 25 – D ifratograma obtido para a cinza coletada em PA -01... 63
F igura 26 – D ifratograma obtido para a cinza coletada em PA -13... 63
F igura 27 – D ifratograma obtido para as cinzas volantes “frescas” de Pecém I... 64
F igura 28 – D ifratograma obtido para as cinzas volantes “frescas” de Pecém II... 64
F igura 29 – Granulometria para as cinzas PA -01 e PA - 13... 65
F igura 30 – Granulometria para as cinzas volantes "frescas" de Pecém I e II... 65
F igura 31 – V ariaçã o na composiçã o dos principais constituintes químicos para as cinzas, da cal e das cinzas+cal... 69
F igura 32 –C urva granulométrica de projeto... 71
F igura 33 – R esultados de RT obtido para as dosagens usando pó de pedra, C al C H-I e cinzas... 74
F igura 34 – R esultados de RT obtidos usando pó de pedra, C al C H-I e cinzas, mas com o percentual de C A P fixado em 5%... 75
F igura 35 – R esultados de RT obtido para as dosagens usando cal, cal + pó de pedra, cal + cinzas... 77
F igura 36 –R esultados de RT obtidos usando cal, cal + pó de pedra e cal + cinzas, mas com o percentual de C A P fixado em 5%... 77
F igura 37 – R esultados de R RT obtido obtidos para as dosagens usando pó de pedra, cal hidratada C H-I e cinzas... 81
F igura 38 – R esultados de R RT obtido usando pó de pedra, cal C H-I e cinzas, mas com teor de C A P fixado em 5%... 84
F igura 39 – R esultados de R RT obtido para as dosagens com cal, pó de pedra+cal, cinzas +cal... 85
L I S T A D E T A B E L A S
Tabela 1 – Propriedades físicas das cinzas pesadas... 9
Tabela 2 – R esultados das análises granulométricas realizadas nas cinzas pesadas... 9
Tabela 3 – C omposiçã o química das cinzas leves encontradas na literatura... 10
Tabela 4 – C omposiçã o química das cinzas pesadas encontradas na literatura... 11
Tabela 5 – R esultados de RT... 17
Tabela 6 – R esultados de MR ... 17
Tabela 7 – F atores que contribuem para o dano por umidade induzida em misturas asfálticas... 20
Tabela 8 – F alha adesiva ou coesiva associadas aos mecanismos de danos provocados pela umidade... 23
Tabela 9 – R esultados da caracterizaçã o do ligante asfáltico usado nesta pesquisa... 43
Tabela 10 – R esultados de granulometria... 44
Tabela 11 – C aracterizaçã o das cinzas coletadas na Usina Termelétrica E nergia Pecém, para os pontos em superfície PA –01 a PA –10... 54
Tabela 12 – C aracterizaçã o das cinzas coletadas na Usina Termelétrica E nergia Pecém, para os pontos em superfície PA 11 a PA 21... 55
Tabela 13 – C aracterizaçã o das cinzas coletadas na Usina Termelétrica E nergia Pecém, para os pontos em profundidade (PP1 e PP2)... 57
Tabela 14 – C aracterizaçã o das cinzas volantes “frescas” das Usinas Pecém I e II... 58
Tabela 15 – C aracterizaçã o das amostras de cal, pó de pedra, pó de pedra+cal e cinza+cal... 68
Tabela 16 – Parâmetros de dosagem das misturas asfálticas avaliadas até o momento... 71
Tabela 17 – V alores de R RT (MPa) para as misturas asfálticas dosadas com pó de pedra, cal e cinzas... 80
Tabela 18 – V alores de R RT (MPa) para as misturas asfálticas com teor de C A P fixo em 5%... 83
Tabela 19 – V alores de R RT (MPa) para as misturas asfálticas dosadas com cal, pó de pedra+cal, cinzas +cal... 85
L I S T A D E A B R E V I A T UR A S E S I G L A S
A A S HT O American Association of State Highway and T ransportation Officials A C A A American C oal Ash Association
A NE E L A gê ncia Nacional de E nergia E létrica A S T M American Society for T esting and Materials C P C orpo de Prova
D NE R D epartamento Nacional de E stradas de R odagem
D NIT D epartamento Nacional de Infraestrutura de T ransportes E PA United States E nvironmental Protection Agency
E PE E mpresa de Pesquisas E nergéticas F B C F luidized Bed C ombustion
F GD F lue Gas D esulphurization F HW A F ederal Highway Administration
IPR F Innovative Pavement Research F oundation MIS T Moisture Induced Stress T ester
R R T R elaçã o de R esistê ncia à T raçã o
Mtep Milhões de toneladas equivalentes de petróleo E PA United States E nvironmental Protection Agency MR Módulo de R esiliê ncia
R T R esistê ncia a T raçã o
S uperpaveSuperior Performing Asphalt Pavement System S HR P Strategic Highway Research Program C GS C ompactador Giratório S uperpave SAT S Saturation Ageing T ensile Stiffness UT E Unidade T ermoelétrica
S UM Á R I O
1 I NT R O D UÇ Ã O ... 1
1.1 C onsider ações I niciais ... 1
1.2 Pr oblema de Pesquisa ... 2
1.3 Q uestões de Pesquisa ... 3
1.4 O bj etivos ... 4
1.4.1 Objetivo Geral ... 4
1.4.2 Objetivos E specíficos ... 4
2 R E V I S Ã OB I B L I O G R Á F I C A ... 5
2.1 C inzas de C ar vã o M iner al ... 5
2.1.1 Origem e C lassificaçã o das C inzas ... 5
2.1.2 C aracterísticas F ísicas das C inzas ... 7
2.1.3 C aracterísticas Química das C inzas ... 9
2.2 Papel do F íler em M istur as A sfálticas ... 11
2.3 Utilizaçã o de cinzas volantes (fly ashes) na pavimentaçã o ... 13
2.4 Utilizaçã o das cinzas pesadas (bottom ashes) na pavimentaçã o ... 15
2.5 D ano por umidade induzida ... 17
2.5.1 D efiniçã o ... 17
2.5.2 D efeitos em Pavimentos R elacionados à Umidade ... 19
2.5.3 Mecanismos R elacionados ao D ano por Umidade ... 21
2.5.4 C aracterísticas da L igaçã o A gregado-L igante A sfáltico ... 25
2.5.5 F atores que I nfluenciam a L igaçã o A desiva entre o L igante A sfáltico e o A gregado...29
2.5.6 E strutura de V azios na Mistura A sfáltica e Sua R elaçã o com o D anoR elacionado a Umidade ... 33
2.6 A ditivos Usados em M istur as A sfálticas par a Pr evençã o do D ano por Umidade I nduzida ... 35
2.6.1 Utilizaçã o da C al como A ditivo em Misturas A sfálticas ... 35
2.6.2 A ditivos líquidos anti-stripping ... 37
2.6.3 C inzas V olantes (F ly A sh) e o D esempenho nas Misturas ... 39
2.6.4 Poeira de F orno de C imento (C ement K iln D ust) ... 40
2.6.5 Outros aditivos ... 41
3 M A T E R I A I SE M É T OD O S ... 42
3.1 INT R OD UÇ Ã O ... 42
3.2 MA T E R I A I S... 42
3.2.1 L igante asfáltico ... 42
3.2.2 A gregados Naturais ... 43
3.2.3 C inzas ... 45
3.3 D osagem das M istur as A sfálticas ... 46
3.3.1 C oncreto A sfáltico (C A ) C ontendo F íler Natural ... 48
3.3.2 C oncreto A sfáltico (C A ) C ontendo C inzas e C al H idratada como F íler ... 49
3.4 M étodos de E nsaio par a C ar acterizaçã o das M istur as A sfálticas ... 50
3.4.1 R esistê ncia a T raçã o (R T ) ... 50
3.4.2 E nsaio de L ottman modificado ... 51
4 A PR E S E NT A Ç Ã OE DI S C US S Ã OD O SR E S UL T A D OS ... 53
4.1 C ar acter izaçã o das A mostras de C inzas ... 53
4.2 C ar acter izaçã o das A mostras de C al, F iler Natur al, F iler Natur al+C al, C inza+C al ... 67
4.3 D osagens das M istur as A sfálticas ... 70
4.4 R esultados deR T ... 73
4.5 R esultados deR R T ... 79
5 C O NC L US Õ E S ... 89
5.1 C onsider ações I niciais ... 89
5.2 Pr incipais C onclusões ... 89
5.2.1 C aracterizaçã o das C inzas ... 89
5.2.2 C aracterizaçã o da cal, F íler Natural, C inzas+C al, F íler Natural+C al ... 90
5.2.3 D osagens das Misturas A sfálticas ... 90
5.2.4 R esistê ncia à T raçã o ... 91
5.2.5 R esistê ncia ao D ano por Umidade I nduzido ... 92
5.2.6 S ugestões e R ecomendações para E studos F uturos ... 93
1. I NT R O D UÇ Ã O
1.1. C onsider ações I niciais
O aumento da utilizaçã o de resíduos na pavimentaçã o cresceu devido à limitaçã o, a diminuiçã o e, em alguns casos, ao esgotamento das fontes naturais. A liado a isso, houve um forte crescimento industrial nas últimas décadas e, consequentemente, uma maior preocupaçã o com a preservaçã o ambiental. O governo e a sociedade vê m impondo medidas no sentido de compatibilizar o crescimento industrial com a preservaçã o do ambiente. Neste contexto, além da criaçã o de leis mais rigorosas, da realizaçã o de maior fiscalizaçã o e do surgimento de organizações em prol do meio ambiente pode ser citado também, como uma alternativa economicamente viável e sustentável, o aproveitamento de rejeitos industriais como insumo para serviços diversos, tal como é o caso proposto nesse trabalho com relaçã o ao reaproveitamento de cinza de carvã o mineral em serviços de pavimentaçã o.
A geraçã o de subprodutos é uma das consequê ncias de qualquer processo industrial. D evido ao crescimento deste setor, torna-se cada vez maior a quantidade dos diversos tipos de rejeitos gerados, o que faz surgir à preocupaçã o com o descarte adequado desses materiais e a, consequente, busca por soluções eficazes para a diminuiçã o dos impactos ambientais e dos custos associados com seu acondicionamento e com a sua disposiçã o final. D essa forma, a utilizaçã o de cinza de carvã o em projetos de pavimentaçã o pode reduzir a necessidade de exploraçã o de materiais naturais em jazidas, o que poderá reduzir, também, os custos associados a esses processos.
D urante o processo de produçã o de energia elétrica nas usinas termelétricas, o carvã o mineral é pulverizado e colocado para queima nas fornalhas das caldeiras. O calor liberado da queima é transferido para a água que circula nos tubos que envolvem a fornalha, transformando-a em vapor. A energia térmica contida no vapor é transformada em energia mecânica e assim movimenta a turbina do gerador. E sse movimento dá origem à eletricidade.
produçã o de energia aumenta o problema da gestã o dos resíduos sólidos geradosconstituindo, assim, um problema ambiental. No B rasil, esse cenário nã o é diferente, segundo aE PE - E mpresa de Pesquisas E nergéticas (2016),o consumo de carvã o mineral somente na geraçã o de energia por usinas termelétrica passou de 2,1Mtep em 2006 para 4,5Mtep em 2015, representando um aumento de 53,3% no consumo deste combustível no período avaliado. No estado do C eará a capacidade instalada de geraçã o elétrica por termoelétricas passou de 1.046MW em 2005 para 1,949MW em 2015.
D e acordo com a E PA - United States E nvironmental Protection Agency (2005) , os diferentes tipos de cinza podem ter várias aplicações no campo da engenharia e vê m sendo utilizados há muitos anos pela humanidade.Nos tempos antigos, os romanos acrescentaram cinzas vulcânicas ao concreto para fortalecer estruturas como a do Panteã o R omano e a do C oliseu, ambas existentesainda hoje. O primeiro grande uso de cinzas de carvã o em concreto nos E stados Unidos ocorreu em 1942 para reparar o vertedouro de um túnel na barragemHoover D am.
A s cinzas volantes tê m propriedades químicas e mecânicas que fazem dela um insumolargamente utilizado em produtos de concreto,em camadas de revestimento de pavimentos, pontes, edifícios, blocos de concreto, dentre outros ( A C A A , 2013). S egundo E PA (2005), as cinzas volantes podem ainda ser utilizadas como fíler mineral em revestimentos de pavimentos asfálticos, pois estas possuem a capacidade de aumentar a rigidez da mistura asfáltica, melhorar a resistê ncia a deformaçã o permanente, diminuir os custos em relaçã o ao uso de outros fíleres e reduzir o potencial relacionado ao dano por umidade induzida.
1.2. Pr oblema de Pesquisa
S abe-se que o dano causado pela presença da umidade na mistura asfáltica trás consequê ncias que se refletem na vida de serviço do revestimento, causando, assim, maior necessidade de ações relativas a intervençã o e a manutençã o dessas estruturas.O processo de dano por umidade é iniciado com o transporte da umidade, por meio de permeabilidade e/ou de difusã o de vapor, para dentro da mistura asfáltica o que leva a diminuiçã o da adesã o e da coesã o na estrutura (K E NNE DY et al., 1983;MA S A D et al., 2007).C om o intuito de minimizar os efeitos que a água pode causar ao pavimento, muitos métodos foram adotados para mitigar o dano causado pela umidade induzida em pavimentos asfálticos. Uma maneira comum, normalmente uti lizada, é a adiçã o de aditivos antistripping a composiçã o da mistura asfáltica, os quais incluem normalmente o uso da cal hidratada, do cimento, das cinzas volantes, de aditivos comerciais, etc (HUA NGet al., 2010). A s cinzas de carvã o mineral podemproporcionar as misturas asfálticas efeitos benéficos, tais como:o aumento da resistê ncia ao dano por umidade induzida, o aumento da resistê ncia à deformaçã o permanente e o aumenta a vida de fadiga(X IE et al., 2012).
No estado do C eará, as usinas termoelétricas movidas a carvã o acumulamelevadasquantidades de cinza de carvã o mineral em seus módulos de armazenamento, sendo estas heterogê neas, pois sã o derivadas de carvões de origens div ersas, além de serem produzidas por diferentes tecnologias de queima deste carvã o. A liado a isso, grande parte do material ora estocado nã o possui mercado consumidor definido, devido à falta de informações que apontem, de forma segura e satisfatória, sua aplicaçã o como insumo na construçã o/fabricaçã o/produçã o de produto ou serviço.
1.3. Q uestões de Pesquisa
E xistem diversas questões interessantes a serem pesquisadas, envolvendo o assunto deste trabalho, dentre elas é possível destacar:
D e que forma a heterogeneidade das cinzas terá efeitos positivos, ou negativos, com relaçã o aos teores de ligante asfálticos obtidos a partir das dosagens das misturas asfálticas?
É possível aumentar a resistê ncia ao dano por umidade induzida de misturas asfálticas a partir da utilizaçã o de cinzas de carvã o mineral como fíler, em relaçã o aos materiais naturais normalmente utilizados em misturas asfálticas (pó de pedra e cal, por exemplo)?
O uso damistura de cinzas de carvã o mineral e cal hidratada (do tipo C H-I) , como fíler,pode melhorar a resistê ncia ao dano por umidade induzida em misturas asfálticas?
1.4. O bj etivos
1.4.1. Objetivo Geral
O objetivo geral desse estudo é avaliar o uso de cinzas de carvã o mineral como melhorador de adesividade em misturas asfálticas que contém esse material como fíler.
1.4.2. Objetivos E specíficos
C omo objetivos específicos para a pesquisa em questã o propõem-se:
C omparar propriedades físico-químicas das cinzas com aquelas obtidas para materiais naturais ou artificiais (a cal e o pódepedra, por exemplo) normalmente utilizados como fíler em misturas asfálticas;
C omparar parâmetros volumétricos a partir da realizaçã o de dosagens de misturas asfálticas compostas por cinzas provenientes de diferentes processos e fontes e por material de referê ncia;
C omparar o efeito do dano por umidade induzida em misturas asfálticas compostas por diferentes cinzas, por material de referê ncia (pó de pedra) e por cal hidratada, utilizados como fíleres;
2. R E V I S Ã O B I B L I O G R Á F I C A
2.1. C inzas de C ar vã o M iner al
2.1.1. Origem e C lassificaçã o das C inzas
O carvã o mineral, de origem fóssil, foi uma das primeiras fontes de energia utilizadas em larga escala pelo homem. S ua aplicaçã o na geraçã o de vapor para movimentar máquinas foi um dos pilares da primeira revoluçã o industrial, iniciada na Inglaterra no século X V III. J á no fim do século X IX , o vapor foi aproveitado na produçã o de energia elétrica. A o longo do tempo, contudo, o carvã o perdeu espaço na matriz energética mundial para o petróleo e para o gás natural, com o desenvolvimento dos motores a explosã o. O interesse em utilizar carvã o mineral reacendeu na década de 70, em consequê ncia do aumento dos preços do petróleo (A NE E L , 2008).
D e acordo com R ohde et al. (2006), a formaçã o das cinzas acontece devido a combustã o direta do carvã o mineral. E sta é uma matéria-prima sólida constituída por duas frações, sendo uma orgânica (material volátil adicionado de carbono fixo) e outro mineral (argilas, quartzo, piritas, carbonatos, etc.). Pela açã o do calor, a fraçã o orgânica gera voláteis e coque, enquanto a fraçã o mineral transforma-se em cinza com mineralogia modificada, tendo em vista a perda de água das argilas, a decomposiçã o dos carbonatos, a oxidaçã o dos sulfetos, etc. S egundo S ilva et al. (1999), a combustã o do carvã o pulverizado, em altas temperaturas, entre 1.200º C e 1.600º C , num ambiente gasoso oxidante, com tempo de permanê ncia das partículas em chama oxidante de 2 segundos, em média, é condiçã o suficiente para a fusã o total ou parcial da matéria mineral. Nesse processo, dois tipos de cinzas sã o formados, a saber: a cinza pesada e a cinza volante.
Ash). Para melhor compreensã o e entendimento da caracterizaçã o de cada material obtido a partir da queima do carvã o, segue a definiçã o e também o modo de obtençã o de cada um deles. A F igura 1 mostra a aparê ncia destes materiais.
C inza leve ou volante (fly ash): é o material particulado finamente divididoarrastado pelos gases de combustã o das fornalhas da caldeira e capturado pelos equipamentos de controle de emissões antes que este possa chegar à chaminé. E ste material é constituído, principalmente, por compostos de sílica, de alumina e de cálcio (S IL V A et al., 1999, A C A A , 2013);
C inza pesada ou de fundo (bottom ash): é o material granular mais pesado, com textura mais rugosa, que é coletado no "fundo" de caldeiras das fornalhas. E ste material representa cerca de 15 a 20% das cinzas produzidas numa usina termoelétrica (S IL V A et al., 1999, A C A A , 2013);
Gesso sintético (synthetic gypsum): é obtido em usinas de energia equipadas com sistema de dessulfurizaçã o de gases de combustã o (do inglê s F GD - F lue Gas D esulphurization) que controla as emissões, também conhecido como lavadores (ou scrubbers) que geram subprodutos que incluem o gesso sintético. E mbora esse material nã o seja tecnicamente considerado como cinza, porque nã o está presente no carvã o, o mesmoé gerido e regulamentado como produto da combustã o do carvã o mineral;
E scória ou cinza grossa ( Boiler slag): é a cinza fundida e coletada na base de caldeiras de gerações mais antigas que é esfriada com água e se estilhaça em partículas angulares negras com aparê ncia vítrea;
C enoesferas (C enospheres): é o material colhido a partir de cinzas volantes e que é constituído por esferas microscópicas ocas;
C inza de leito fluidizado de plantas de geraçã o de energia a combustã o (F BC Ash): é a cinza obtida em plantas que recuperam resíduos de carvã o como combustível através da utilizaçã o de leito fluidizado gerando cinza como subproduto.
físico-químicas, nã o só de uma usina para outra, mas também de uma caldeira para outra dentro de uma mesma usina e até mesmo em uma determinada caldeira em tempos diferentes.
F igura 1– Materiais obtidos a partir da queima do carvã o em termoelétricas
C inza leve ou volante (F ly ash)
C inza pesada ou de fundo (Bottom ash)
Gesso sintético (Synthetic gypsum)
E scória ou cinza grossa (Boiler slag)
C enoesferas F onte: A daptado de A C A A (2013)
2.1.2. C aracterísticas F ísicas das C inzas C inzas V olantes
F igura 2 – Partículas de cinzas volantes vistas ao microscópio eletrônico.
(a) Partículas esféricas que compõem as cinzas volantes; (b) D etalhe da partícula esférica do tipo “cenoesferas”;
(c) e (d) D etalhes de partículas esféricos do tipo “pleroesferas”. F onte: A daptado de F ernández (2009)
A s partículas com dimensões superiores a 125μm sã o bastante porosas. A ocorrê ncia deste tipo de partículas de cinza está associada a grandes quantidades de carbono. E ste material nã o queimado é responsável pelo elevado valor da superfície específica verificado na maioria das cinzas volantes (A Z E V E D O, 2002).
C inzas Pesadas
propriedadesdas cinzas pesadas sã o: grau de pulverizaçã o do carvã o; temperatura de queima no forno e tipo de forno. A T abela 1 mostra algumas propriedades físicas das cinzas pesadas (S INGH, 2015).
Tabela 1 – Propriedades físicas das cinzas pesadas. Propriedades F ísicas
Ghafoori e B ucholc (1996) B ai et al. (2005) Y ukse e Genc (2007) Naik et al. (2007)
K ou e Poon (2009)
K im e L ee (2011)
S ingh (2015)
D ensidade 2,5 1,5 1,4 2,1 2,2 1,9 1,4
A bsorçã o de água (%) 7,0 30,4 6,1 13,6 28,9 5,5 31,6
Módulo de finura 2,8 - - - 1,8 2,4 1,4
F onte: A daptado de S ingh (2015).
Z wonok,C hies e S ilva (2006) mostram que os resultados das análises granulométricas realizadas nas cinzas pesadas podem ser consideravelmente diferentes, dependendo da origem do carvã o. A partir dos dados apresentados na T abela 2, os grã os predominantes sã o do tamanho dos grã os de areia e de silte em praticamente todos os tipos de cinzas e possuem baixos teores da fraçã o argila, sendo classificados, segundo a granulometria, como materiais granulares.
Tabela 2 – R esultados das análises granulométricas realizadas nas cinzas pesadas. P r ocedê ncia das cinzas
D iâ metr o dos gr ã os em (% ) A rgila Silte
A reia fina A reia média A reia grossa Usina T ermelétrica de C harqueadas – R S 1 44 41 13 1 A racruz C elulose S.A , Guaíba – R S 1 29 34 26 10
Presidente Médici, C andiota – R S 1 30 42 20 7
F onte: Z wonok, C hies e S ilva (2006) 2.1.3. C aracterísticas Química das C inzas
C inzas V olantes
et al., 1999; A Z E V E D O, 2002; A C A A , 2003; F E R NÁ ND E Z , 2009). A norma A S T M C 618 (2015) classifica as cinzas leves baseada na sua composiçã o química, principalmente na soma de trê s óxidos, a saber: S iO2, A l2O3eF e2O3. Os dois tipos e os requisitos primários exigidos pela norma sã o os seguintes: C lasse F (S iO2 + A l2O3 + F e2O3 ≥ 70%); e C lasse C (S iO2 + A l2O3 + F e2O3 ≥ 50%). A s cinzas leves da C lasse C apresentam geralmente teor de C aO maior que 20% ( IPR F , 2011). S egundo a norma americana C 618 (A S T M, 2015), as cinzas volantes pertencentes a classe F apresentam propriedades pozolânicas, mas nã o tê m propriedades aglomerantes e hidráulicas, já as cinzas volantes pertencentes a classe C tê m propriedades pozolânicas e aglomerantes. A T abela 3 apresenta a composiçã o química, em percentual de massa, das cinzas leves relatadas na literatura. Pode-se perceber que a composiçã o destas cinzas é bastante variável, mostrando que este trata-se de um material heterogê neo.
T abela 3 – C omposiçã o química das cinzas leves encontradas na literatura. C omposiçã o
química (%) Neves et al. (1998) S ilva et al. (1999) S iqueira et al. (2012)
S ilveira, S ilva e Guimarã es
(2014)
S iO2 54,76 67,00 - 71,00 33,80 1,82 - 9,38
A l2O3 28,30 19,00 - 24,00 13,69 1,89 - 3,92
F e2O3 4,23 5,00 - 8,00 5,03 -
C aO 1,04 0,20 - 1,10 14,05 56,65 - 79,63
MgO 1,30 0,20 - 1,80 1,45 0,60 - 3,11
Na2O 0,33 0,10 - 0,70 0,75 -
K2O 2,84 0,40 - 1,50 1,20 0,24 - 0,47
S O3 - 0,10 - 0,70 7,33 12,77 - 17,60
NiO - - - 1,80
F eO - - - 0,31 - 2,12
T iO2 2,42 - - -
L I2O 0,02 - -
MnO 0,04
C u - 36 - 55 (ppm) - 0,21
S 0,08 - - -
V - - - 0,48 - 6,84
C inzas Pesadas
com o grau de moagem adotado no beneficiamento, com a pré-queima e com o sistema de extraçã o e de transporte da cinza após a queima (GOT HE , 1990). A T abela 4 apresenta a composiçã o química das cinzas pesadas encontradas na literatura
Tabela 4 – C omposiçã o química das cinzas pesadas encontradas na literatura.
C omposiçã o química ( %) Y uksel, Genc ( 2007) B ai et al. ( 2005) A ramraks ( 2006) K asemchaisiri, T angtermsirikul ( 2007) Muhardi et al. ( 2010) Gafoori, B ucholc ( 1996) Singh ( 2015) Moulton ( 1973) *
SiO2 57,90 54,80 46,20 38,64 42,70 41,70 56,44 53,60
A l2O3 22,60 28,50 23,11 21,15 23,00 17,10 29,24 28,30
F e2O3 6,50 8,49 8,62 11,96 17,00 6,63 8,44 5,80
C aO 2,00 4,20 12,12 13,80 9,80 22,50 0,75 0,40
MgO 3,20 0,35 2,90 2,75 1,54 4,91 0,40 4,20
Na2O 0,09 0,08 0,55 0,90 0,29 1,38 0,09 1,00
K2O 0,60 0,45 2,13 2,06 0,96 0,40 1,29 0,30
T iO2 - 2,71 - - 1,64
3,83**
3,36 -
P2O5 - 0,28 - - 1,04 - -
SO3 - - 0,42 0,61 1,22 0,42 0,24 -
* C omposiçã o para o carvã o betuminoso (contem de 80% a 90% de carbono em sua composiçã o) oriundo de W est V irginia.
**C omposiçã o química representando P2O5 eT iO2. F onte: A daptado de Moulton (1973); S ingh (2015)
2.2. Papel do F íler em M istur as A sfálticas
O material de enchimento ou fíler constitui-se de um material mineral inerte em relaçã o aos demais componentes da mistura asfáltica, finamente dividido, passando pelo menos 65% na peneira n°200, a qual possui 0,075mm de abertura de malha quadrada (D NE R -E M 367/97). S egundo B ardini et al. (2009), o fíler é utilizado como material de enchimento dos vazios entre agregados graúdos e miúdos, contribuindo para a reduçã o dos vazios da mistura asfáltica, modificando a trabalhabilidade, a resistê ncia a umidade induzida e ao envelhecimento da mesma. E m decorrê ncia do pequeno tamanho das partículas e de suas características de superfície, o fíler age como material ativo, se manifestando nas propriedades da interface fíler/ligante asfáltico, nã o sendo, portanto, apenas um material inerte, como é apresentado na definiçã o geral do antigo D NE R , hoje D NIT .
mineral, diminuindo o V olume de vazios (V v) e alterando o teor de projeto de ligante asfáltico. No entanto, um fíler miúdo, com porcentagem significativa de material menor do que 20μm, e até com alguma porçã o menor do que 5μm, tende a ser incorporado ao ligante asfáltico modificando o mesmo e compondo um material (mástique) que envolve as partículas de agregados miúdos e graúdos (A A S HT O, 1991).
Os vazios no fíler compactado a seco podem ser medidos pelo método de R igden (E N 1097-4), o qual consiste em compactar o fíler a seco, resultando em uma mistura de grã os e em alguns espaços vazios, obtendo-se, assim, o volume de vazios presentes no fíler. E stes vazios num mástique serã o ocupados pelo ligante asfáltico, gerando dois tipos de ligantes em uma mistura asfáltica: o ligante asfáltico fixo, que preenche os vazios entre os grã os de fíler e o ligante asfáltico livre, que é o excesso de ligante depois que os vazios sã o preenchidos (B L A Z E J OW S K I, 2010) .
Motta e L eite (2000) comentam que, teoricamente, quando a quantidade de ligante asfáltico aumenta além do índice de vazios R igden, as partículas perdem o contato entre elas e a quantidade adicional de ligante asfáltico promove a lubrificaçã o entre as mesmas. Quando a quantidade livre de ligante asfáltico diminui, a rigidez da mistura asfáltica tende a aumentar. Quanto mais fino for o fíler, menor deve ser a relaçã o fíler-ligante asfáltico, pois o volume livre de li gante asfáltico é o responsável pelo aumento da espessura da película que recobre as partículas dos agregados. E m outras palavras, a razã o do volume de ligante asfáltico livre pelo volume total de ligante asfáltico tem efeito significativo na rigidez do mástique.
O material passante na peneira n°200 (0,075mm)é designado como pó ( dust em inglê s) para distinguir da definiçã o do fíler tradicionalmente utilizada pelo D NIT . E sta distinçã o está relacionada à possível incorporaçã o da parcela de finos no ligante em uma mistura asfáltica. Quando a porcentagem de pó aumenta, reduzem-se os vazios do esqueleto mineral e aumenta-se a trabalhabilidade da mistura asfáltica. A cima de um determinado teor, o pó começa a prejudicar a trabalhabilidade da mistura asfáltica bem como a estabilidade do esqueleto mineral, diminuindo os pontos de contato entre as partículas mais graúdas, alterando, também, a capacidade de compactaçã o da mistura asfáltica.
preenchem parcialmente os vazios e apenassecundariamente formam a ligaçã o ligante-fíler. C raus et al. (1978) consideram, dentre os vários aspectos físico-químicos da interaçã o fíler-ligante asfáltico, a intensidade de adsorçã o como o fator mais importante de caracterizaçã o do fíler. K avussi e Hicks (1997), complementarmente, destacam os seguintes fatores:
tipo de fíler: graduaçã o, textura superficial, superfície específica, forma dos grã os etc.; natureza do fíler: a composiçã o mineralógica e a atividade físico-química, que afetam a
afinidade com o ligante asfáltico; concentraçã o do fíler na mistura.
A adiçã o de fíler provoca modificações no comportamento reológicodo ligante asfáltico, uma vez que este aumenta o módulo complexo e reduz o ângulo de fase, associado à natureza rígida do fíler mineral. O ligante asfáltico se comporta de forma distinta quando adicionado de fíler, se comparado a outros modificadores, como os polímeros e a borracha de pneu moída, que apresentam módulo complexo menor que o dos ligantes asfálticos em temperaturas baixas ou intermediárias. E sses efeitos associados a incorporaçã o do fíler ao ligante asfáltico sã o mais significativos e favoráveis em altas temperaturas, devido ao aumentoda rigidez do ligante asfáltico. Porém, em baixas temperaturas, o fíler aumenta ainda mais a rigidez do ligante asfáltico, acarretando na reduçã o da capacidade deste de relaxar tensões (BA HIA , 1995). D e acordo com B echara et al. (2008), as propriedades reológicas do mástique é resultado da combinaçã o 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.
2.3. Utilizaçã o de cinzas volantes (fly ashes) na pavimentaçã o
Quando utilizadas como fíler, em misturas asfálticas, as cinzas volantes devem estar na forma seca. T ipicamente, as cinzas volantes sã o tratadas de um modo semelhante a cal hidratada sendo transportadas para a unidade de mistura asfáltica a quente; armazenadas em silos estanques na planta e dosadas na mistura asfáltica ( F HW A , 2003).
A s cinzas volantes podem ser utilizadas como fíler em misturas asfálticas a quente usadas em serviços de pavimentaçã o. Quando disponíveis localmente, as cinzas volantes podem ser economicamente viáveis se comparadas a outros materiais minerais. R essalta-se, ainda, o fato dos fíleres aumentarem a rigidez do mástique o que pode contribuir para a resistê ncia global do pavimento. A lém disso, as cinzas volantes reúnem as especificações técnicas de um fíler mineral quanto a granulometria, ao teor de impurezas orgânicas e a plasticidade desses materiais. D e acordo com Huang et al. (2010), a adiçã o de 1% de cinza volante classe F como fíler em uma mistura asfáltica gerou um resultados similares quando comparado a mistura asfáltica de controle, mas ligeiramente inferior se comparado aos resultados obtidos para a mistura asfáltica com utilizaçã o da cal como filer.
A ndrojić, K aluđer e K omljen (2008) adicionaram cinzasvolantes,ácidas com baixo teor de cálcio (C aO ≈ 17,63%), a mistura asfáltica emduas proporções: 3,0% e 6,2% em massa de agregado. Neste citado estudo foram avaliadas misturas asfálticas contendo pódepedra natural e misturas asfálticas contendo cinzas leves. O percentual de ligante asfáltico utilizado nas misturas asfálticas contendo cinzas leves foi 0,5% superior se comparado aquele obtido para as misturas asfálticas contendo somente agregados naturais.S egundo os citados autores, as cinzas leves atenderam os critérios para serem utilizadas como agregados em misturas asfálticas de acordo com a legislaçã o croata.
asfáltica, também houve reduçã o nos valores de R T , sendo da ordem de 25% em relaçã o a mistura contendo cimento Portland como fíler, e da ordem de 40% para a mistura contendo sílica como fíler. D e acordo com a autora, quantidades em excesso de cinzas volantes na mistura asfáltica produziram pavimentos que apresentavam trincas durante sua execuçã o.
V ale ressaltar que segundo B eretka e B rown (1977), a cinza volante é um material heterogê neo e alterações na operaçã o de queima e nos combustíveis utilizados, afetam a composiçã o e o tamanho de suas partículas. S nyder (1967) admite, ainda, que, devido a cinza ser um material extremamente variável, é importante que a mesma seja caracterizadaantes da sua utilizaçã o. O autor afirmou que nã o existem duas cinzas com características iguais.
A lém da aplicaçã o das cinzas volantes com fíleres em misturas asfálticas, as mesmas também podem ser utilizadas na composiçã o de camadas granulares. A cinza volante e a cal podem ser combinadas com agregados para produçã o de bases estabilizadas (F HW A , 2003).
2.4. Utilizaçã o das cinzas pesadas (bottom ashes) na pavimentaçã o
S chroeder (1994) apresenta a cinza pesada como material adequado para ser utilizado em camadas de sub-base de pavimentos e como material fino ( fíler) para ser usado em misturas asfálticas. S egundo W eber (2010), o uso de cinza pesada em misturas asfálticas a quente se mostrou eficiente, atingindo resultados satisfatórios com relaçã o a resistê nciaa traçã o, sendo superiores aos 0,65MPa recomendado pela Norma D NIT -E S 31.Porém percebeu-se que, apesar da cinza possuir granulometria semelhante a da areia, a mesma é muito porosa, o que pode refletir numa alta absorçã o do ligante asfáltico utilizado na mistura asfáltica.
asfáltico, contendo agregados naturais como fíler obtiveram MR em torno de 3.732MPa. J á a mistura asfáltica contendo cinza pesada como filer, com percentual de 6%, resultou em valores de MR em torno de 6.500MPa, ou seja 1,7 vezes superior.
F igura 3– Módulo de R esiliê ncia (MR ) para amostras de misturas asfálticas contendo cinza pesada com fíler em diferentes percentuais.
F onte: A daptado de V asudevan (2013).
agregados como da própria cinza.S egundo W eber (2010), o uso de cinzas pesadas em misturas asfálticas a quente é viável, pois as cinzasapresentam características mecânicas adequadas para o uso em rodovias, no entanto, devido a alta porosidade deste material, nas misturas asfálticas dosadas foi utilizada maior quantidade de ligante se comparadas as misturas asfálticascontendo fíleres naturais, já que a mistura asfálticas convencionalgerou um teor de ligante.
T abela 5– R esultados de R T . Mistura
A sfáltica
C onvencional 5,0% L igante
6% cinza + 5,5% L igante
6% cinza + 6,0% L igante
10% cinza + 6,0% L igante
10% cinza + 6,5% L igante R esistê ncia a
T raçã o (MPa)
1,20 1,26 1,50 1,28
1,48
F onte: A daptado de W eber et al.(2012). T abela 6– R esultados de MR .
Mistura A sfáltica
C onvencional 5,0% L igante
6% cinza + 5,5% L igante
6% cinza + 6,0% L igante
10% cinza + 6,0% L igante
10% cinza + 6,5% L igante Módulo de
R esiliê ncia (MPa)
4.861 4.283 4.130 3.742
4.382 F onte: A daptado de W eber et al.(2012).
2.5. D ano por umidade induzida
2.5.1. D efiniçã o
arrastando o ligante asfáltico e deixando os agregados sem a cobertura asfáltica; (ii) falha coesiva: pode ser descrita como o efeito do amolecimento e do enfraquecimento que a água exerce sobre o ligante asfáltico, causando assim a perda de rigidez no ligante. Porém, de acordo com S pinel (2009), falhas na adesã o e na coesã o compreendem as etapas finais do processo que se inicia com diferentes modos de transporte da umidade para dentro do pavimento, resultando na geraçã o de diversos tipos de danos.. Para A melian et al. (2014), o dano por umidade é fundamentalmente a perda da ligaçã o entre o ligante asfáltico e os agregados.
A água é muito danosaaospavimentos asfálticos, sua presença (ou da umidade) muitas vezes resulta em falha prematura da estrutura ( L U e HA R V E Y , 2007). A sensibilidade à umidade é reconhecida como um fator importante para a mistura asfáltica. Na década de 40, F rancis Hveem percebeu a importância da resistê ncia à água e a identificou como uma propriedade crítica de engenharia que deve ser determinada na seleçã o de materiais para a construçã o de pavimentos (S A NT UC C I, 2002).O dano por umidade induzida em misturas asfálticas é um problema complexo, que resulta de vários mecanismos diferentes. G rande parte desse conhecimento é teórico e só foi demonstrado em testes de laboratório ( B OY E S , 2011).
F igura 4– E feito esquemático da água sobre uma gota de ligante asfáltico em contato com a superfície de um agregado
F onte: adaptado de Mercado (2007).
2.5.2. D efeitos em Pavimentos R elacionados à Umidade
D e acordo com Hicks, S antucci e A schenbrener (2003), defeitosrelacionados à umidade em misturas asfálticas sã o semelhantes em muitos aspectos aqueles causados por outros fatores (materiais, projeto, construçã o). A s consequê ncias a mistura asfáltica que podem estar relacionados à umidade, ou a outros fatores, sã o descritas a seguir:
E xsudaçã o, trincamento e afundamento por deformaçã o permanente: sã o causados pela perda parcial ou completa da ligaçã o adesiva entre a superfície dos agregados e o ligante asfáltico. Isso pode ser causado pela presença de água na mistura asfáltica devido à má compactaçã o, ao processo inadequado de secagem do agregado, a drenagem insuficiente e a reduzida afinidade química entre o agregado e o ligante asfáltico. E stes defeitos sã o agravados pela presença de ciclos de tráfego e, nos lugares mais frios, pelos ciclos de congelamento-descongelamento.
D esagregaçã o: perda progressiva de material da superfíciedevido à s intempéries ou à abrasã o ocasionada pelo tráfego, ou ambos. E ste problema pode ser causado pela baixa energia de compactaçã o, pelo uso de agregados com reduzida qualidade, pelo baixo teor de li gante asfáltico, pela quantidade elevada de finos, ou pelos mecanismos de dano relacionados a umidade induzida, que sã o agravados pelo tráfego.
Panelas ou buracos:desagregações médias e/ou profundas que aparecem no pavimento.
S egundo Hicks, S antucci e A schenbrener (2003) , o dano relacionado a umidade pode ser acelerado por vários fatores, tais como: projeto da mistura asfáltica, produçã o, construçã o, clima, dentre outros. A T abela 7traz um resumo explicitando o que contribui para aumento da suscetibilidade a umidade para cada um dos fatores citados.
Tabela 7 – F atores que contribuem para o dano por umidade induzida em misturas asfálticas
Projeto da mistura
-A finidade química entre ligante asfáltico e agregados -Percentual de ligante asfáltico
-V olume de vazios (V v) -A ditivos
Produçã o
-Percentual de agregados no revestimento e qualidade do material passante na peneira n°200
-T emperatura da usina
-E xcesso de umidade contida no agregado -Presença de argila
C onstruçã o
-C ompactaçã o - altos valores de V v -Permeabilidade elevada
-S egregaçã o da mistura asfáltica
-Mudanças em campo do projeto de misturaasfáltica original C lima
-Á reas com alta pluviosidade
-L ocais com ciclos de congelamento/descongelamento -R egiões desérticas (dano por umidade causado por vapor) Outros fatores
-D renagem superficial -D renagem subsuperficial
-E stratégias inadequadas de reabilitaçã o do pavimento F onte: Hicks, S antucci e A schenbrener (2003)
2.5.3. Mecanismos R elacionados ao D ano por Umidade
Um pavimento asfáltico está exposto a vários ciclos de precipitaçã o durante sua vida de serviço, e as fontes de umidade em um pavimento podem ser internas ou externas. A fonte interna é a umidade que pode ser deixada no interior do pavimento antes da construçã o do mesmo devido à secagem inadequada dos agregados. Quando a água entrar em contato com o ligante asfáltico a quente, esta é convertida em vapor e o seu volume aumenta, o que pode resultar na formaçã o de espuma e transbordamento do ligante asfálti co. R essalta-se que misturas asfálticas a quente podem ser mais propensas a este tipo de fenômeno (SA NT UC C I, 2002; R E A D e W HIT E OA K , 2003). A s fontes de umidade externas ao pavimento podem ser: a umidade que entra no pavimento devido a falhas na drenagem, a existê ncia de compactaçã o ineficiente ou misturas asfálticas com elevados valores de V v; falhas na drenagem que podem conduzir ao transporte da umidade pela lateral da estrutura; e/ou a elevaçã o de lençóis freáticos que pode conduzir ao transporte da umidade através do subleito e da drenagem insuficiente das camadas de base e sub-base ( NA V E E D , 2011). A F igura 5 ilustra as diferentes fontes de umidade que podem acessar a estrutura do pavimento asfáltico.
F igura 5– F ontes de água para o pavimento
F onte: A daptado de S antucci (2002).
S eparaçã o (D etachment): separaçã o do filme de ligante asfáltico da superfície dos agregadosocasionada por uma fina película de água, sem ruptura óbvia do filme de ligante asfáltico;
D eslocamento (D isplacement): difere da separaçã o, pois envolve o deslocamento do ligante asfáltico da superfície do agregado através de uma ruptura do filme de ligante asfáltico;
R uptura do filme de ligante asfáltico(F ilm rupture):subconjunto do mecanismo de deslocamento;
E mulsificaçã o espontânea(Spontaneous emulsification): resulta numa emulsã o invertida de água no ligante asfáltico. A formaçã o de tais emulsões é agravada pela presença de emulsificantes, tais como argilas ou aditivos para ligantes asfálticos. A taxa de emulsificaçã o depende da natureza do ligante asfáltico e da presença de aditivos;
Poro-pressã o (Pore pressure): essa pressã o é desenvolvida quando as tensões aplicadas pelas cargas repetidas do tráfego sã o transmitidas para a água aprisionada na mistura asfáltica. A continuaçã o destas cargas repetidas acelera o danoe, com o acúmulo de pressã o nos poros, o filme de ligante asfálticona superfície do agregado é rompido, ou gera-se microfissuras no mástique.
Instabilidade do pH (pH instability): o contato com a água pode afetar as ligações químicas e, portanto, influenciar na adesã o agregado-ligante asfáltico. O pH da água de contato também pode afetar o valor do ângulo de contato e as características de molhabilidade da interface agregado-ligante asfáltico;
D e acordo com Huang et al. (2010), cada um dos mecanismos previamente citados leva a dois grandes tipos de falha: a perda de adesã o e/ou a perda de coesã o. A lém disso, vários fatores sã o conhecidos por contribuir para a ocorrê ncia e para o agravamento do dano causado pela umidade, esses fatores incluem as propriedades do li gante asfáltico, as propriedades dos agregados, as propriedades da mistura asfáltica, as práticas de construçã o, o controle de qualidade utilizado durante a compactaçã o, a natureza da água presente na interface ligante asfáltico/agregados, o efeito dinâmico do tráfego no carregamento, bem como o tipo e as propriedades dos aditivos melhoradores de adesividade utilizados. A T abela 8 apresenta as falhas adesivas ou coesivas associadas aos mecanismos de danos provocados pela umidade.
T abela 8 – F alha adesiva ou coesiva associadas aos mecanismos de danos provocados pela umidade
Mecanismo A desã o C oesã o
S eparaçã o (D etachment) X
D eslocamento ( D isplacement) X
E mulsificaçã o espontânea (Spontaneous emulsification) X
Poro-pressã o ( Pore pressure) X X
C orrente hidráulica (Hydraulic scour) X
Instabilidade do pH (pH instability) X
F atores ambientais (E nvironmentalfactors) X X
F onte: L ittle e J ones (2003).
S egundo S pinel (2009), um mecanismo é um processo que leva a modificações nas condições internas ou externas de um sistema produzindo um novo "estado" ou “condiçã o”. Quando oestadofinaldo sistema representa uma reduçã o nasua integridade original, o processo é considerado um mecanismo de dano. O mecanismo de dano por umidade induzida consiste de dois passos: (i) o processo de transporte da umidade, e (ii) a resposta do sistema. O primeiro refere-se a processos através do qual a umidade em estado líquido ou vapor infiltra-se na mistura asfáltica, bem como no ligante asfáltico ou no mástique (composto formado pelo ligante asfáltico e pela parte miúda dos agregados) e atinge a interface ligante asfáltico-agregado. O segundo refere-se à s alterações geradas no interior da mistura asfáltica que conduzem a uma perda na capacidade de carga do material
pressões nos poros na condiçã o de fluxo saturado, e pode causar dano mecânico devido à ruptura do filme de ligante asfáltico ou a formaçã o de microfissuras. S imultaneamente, a umidade também pode ser difundida através do mástique e deslocar o ligante asfáltico da superfície do agregado devido à sua fraca ligaçã o adesiva interfacial.
F igura 6– D ois mecanismos possíveis de dano por umidade. (a) poro pressã o: gera microtrincas e desagregaçã o, (b) difusã o: causa descolamento do ligante asfáltico.
F onte: A daptado de S pinel (2009).
K ringos (2007) resumiu e dividiu o dano por umidade induzida em processos físicos e mecânicos, tal como mostrado na F igura 6. O dano físico é um fator importante, a difusã o da molécula de umidade e o processo de “lavagem” do ligante asfáltico ocorrem devido à açã o do fluxo rápido de água. O processo de dano mecânico, que contribui para o dano causado pela umidade, é a ocorrê ncia de pressã o de água no interior da mistura asfáltica devido ao tráfego, sendo conhecido como “açã o de bombeamento” (“pumping action”).
induzida, juntamente com a carga do tráfego, podem ser explorados adequadamente (HA MZ A H, K A K A R e HA ININ, 2015).
F igura 7– E squema de ti pos de dano causados pela umidade induzida em misturas asfálticas.
F onte: A daptado de K ringos (2007).
2.5.4. C aracterísticas da L igaçã o A gregado-L igante A sfáltico
L igante asfáltico e agregados sã o os dois principais componentes de uma mistura asfáltica, a interaçã o destes na mistura exerce um papel importante no desempenho do pavimento. A mbos os componentes tê m as suas propriedades químicas e físicas distintas. E stas propriedades do ligante asfáltico e dos agregados também interagem entre si, quando ambos estã o em contato. A proporçã o em peso de ligante asfáltico na mistura asfáltica varia tipicamente de 5 a 6% para o ligante asfáltico e 94 a 95% para os agregados. Os agregados variam muito em termos de composiçã o, propriedades químicas de superfície e de morfologia, incluindo a área de superfície, o tamanho e a distribuiçã o de seus poros. Pós compostos por argilas ou outros minerais frequentemente revestem a superfície dos agregados e estes nã o sã o completamente removidos durante a preparaçã o da mistura asfáltica, o que normalmente resulta em diferentes partes da superfície do mesmo agregado com diferentes propriedades químicas. Os agregados possuem vários locais ativos e inativos sobre a sua superfície. E stes desempenham papel importante na interaçã o das moléculas destes materiais com o ligante asfáltico. Os agregados também variam em termos de textura da sua superfície. E xistem agregados com maior área de superfície específica, bem como com um tamanho de poro favorável a penetraçã o do ligante asfáltico. Por vezes constata-se que o ar é retido nos poros
D ano por
sobre a superfície dos agregados, dificultando a penetraçã o do ligante asfáltico em toda a superfície dos agregados. C om base no que foi previamente exposto, existem diferentes sítios (ativos e inativos) na superfície dos agregados (S HA H, 2003).
F igura 8– Química envolvida na ligaçã o entre o agregado e o ligante asfáltico (E stágio 1)
F onte: A daptado de S hah(2003)
F igura 9 – Química envolvida na ligaçã o agregado-ligante asfáltico (E stágio 2)
F onte: A daptado de S hah (2003)
S egundo L iu (1991), se a regiã o da superfície do agregado com características polares está completamente coberta com o ligante asfáltico com superfície nã o polar, entã o as características de adsorçã o do agregado mudarã o radicalmente. Os grupos funcionais polares acharã o mais favorável permanecer na fase de li gante asfáltico uma vez que nenhuma força motriz ou potencial eletrostática existe para adsorçã o ou adesã o na superfície agregada. Os grupos funcionais mais polares, como sulfóxidos, ácidos carboxílicos, e basesnitrogenadas, sã o adsorvidos mais fortemente, enquanto que os grupos asfálticos menos polares, incluindo os hidrocarbonetos aromáticos, tê m menos afinidade coma superfície e nã o aderirã o fortemente ao agregado ( C UR T IS , E NS L E Y e E PPS , 2001).
2.5.5. F atores que I nfluenciam a L igaçã o A desiva entre o L igante A sfáltico e o A gregado
F alha A desiva versusF alha C oesiva
S egundo L ittle e J ones ( 2003), misturas asfálticas com filmes de ligante asfáltico finos falham na tensã o por ruptura na ligaçã o adesiva, enquanto que aquelas com filmes de ligante asfáltico mais espesso (ou filmes de mástique) falhampor causa de dano no próprio mástique (falha coesiva). A espessura do filme que diferencia estes dois tipos de falha depende da reologia do ligante asfáltico (ou mástique), da quantidade de dano sofrido pelo ligante asfáltico (ou mástique) para suportar a falha, da taxa de carregamento e da temperatura no momento do ensaio em laboratório.
E feito das C ar acter ísticas do L igante A sfáltico na A desã o
A s características do ligante asfáltico podem influenciar tanto na adesã o do sistema ligante asfáltico-agregado como na coesã o do mástique. A s propriedades do ligante asfáltico que podem influenciar na ligaçã o ligante asfáltico-agregado sã o: química do ligante asfáltico ( e.g., polaridade e constituiçã o), viscosidade, espessura do filme de ligante asfáltico que recobre o agregado e energia de superfície (B A HIA , HA NZ , K A NIT PONG e W E N, 2007; X IA O, A MIR K HA NIA N e J UA NG, 2007). A força de coesã o na matriz asfáltica na presença de umidade é também influenciada pela natureza química do ligante asfáltico e pelas técnicas de processamento da mistura (MOR A E S , V E L A S QUE Z e B A H IA , 2010).
aumamenor resistê ncia ao dano causado pela umidade. C om base na análise estatística conduzida neste estudo,foi observado que as misturas que contê m agregados com elementos de metais alcalinos (e.g., sódio e potássio) ou agregados com alto conteúdo de quartzo e feldspato alcalino foram mais propensos aos danos provocados pela umidade. A o contrário, as misturas com os agregados que contém cálcio, magnésio e ferro foram consideradas resistentes a umidade. Nenhuma correlaçã o com danos causados pela umidade foi estabelecido com agregados contendo alumina. No entanto, uma vez que estes resultados foram baseados em misturas com um único ligante asfáltico, os resultados nã o podem ser generalizados.
Mais recentemente, B agampadde et al. (2006) exploraram o papel da química do ligante asfáltico no dano causado pela umidade. E sses autores seguiram uma metodologia semelhante à descrita anteriormente, mas utilizaram diferentes tipos de agregados e quatro tipos de ligantes asfálticos. Observou-se que as características dos ligantes asfálticos, tais como índice de acidez (definido como o número de miligramasde hidróxido de potássio necessárias para neutralizarum grama da amostra), penetraçã o e tamanho molecular, nã o sã o fatores significativos na determinaçã o da resistê ncia das misturas asfálticas avaliadas com relaçã o ao dano por umidade induzida. Os autores relataram também que a variabilidade da susceptibilidade a umidade induzida é atribuída, principalmente, aos agregados ao invésdos ligantes asfálticos. Pois, misturas com agregados contendo metais alcalinos (sódio e potássio)apresentaram relativamente alta sensibilidade à umidade, independentemente do ligante asfáltico. E m contraste, indicações de sensibilidade à humidade nã o foram evidentes em misturas elaboradas com agregados contendo cálcio, magnésio e ferro.R esultados semelhantes também foram encontrados por A irey et al. (2007) que analisaram o efeito de certas propriedades dos ligantes e agregados em 14 misturas asfálticas diferentes com relaçã o a resistê ncia ao dano por umidade induzida das mesmas usandoo teste S A T S (saturation ageing tensile stiffness).
quimicamente com os ácidos carboxílicos e os grupos funcionais 2-quinolona presentes no ligante asfáltico, fazendo surgir grupos funcionais que sã o mais fortes a açã o da água,e formando ligações mais fortes com a superfície dos agregados.
A viscosidade do ligante asfáltico pode influenciar a resistê ncia de misturas asfálticas ao dano por umidade.L igantes asfálticos com viscosidade elevada resistem melhor a umidade se comparados aqueles com baixa viscosidade. L igantes asfálticos com alta viscosidade, normalmente, possuem em sua composiçã o alta concentraçã o de grupos funcionais polares que proporcionam maior resistê ncia a esse tipo de dano (BHA S IN et al., 2006).
A resistê ncia à força de ligaçã o está diretamente relacionada à espessura do filme de ligante. A s misturas asfálticas comfilme de ligante mais espesso tendem a sofrer falhas coesiva após a realizaçã o do condicionamentoatravés do contato com a umidade. Por outro lado, amostras com filmes de ligante asfáltico mais esbeltosgeralmente sofrem falha adesiva (K A NIT PONG e B A HIA , 2003)
S egundo Moraes, V elasquez e B ahia (2010), no que diz respeito à energia de superfície, de acordo com a teoria termodinâmica de adesã o agregado-ligante asfáltico, os baixos valores desta propriedade para o ligante asfáltico sã o desejáveis a fim de proporcionar um melhor recobrimento do ligante asfáltico sobre o agregado.E nergia livre de superfície (γ em ergs/cm²) pode serdefinida como a quantidade de trabalho externo feito num material para criar uma nova unidade de área de superfície novácuo.
