( PDF ) Caracterização de misturas asfálticas com o uso de escória de aciaria como agregado.

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CARACTERIZAÇÃO DE MISTURAS ASFÁLTICAS COM O USO DE ESCÓRIA DE

ACIARIA COMO AGREGADO

Verônica Teixeira Franco Castelo Branco

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA

CIVIL.

Aprovada por:

_________________________________________________

Profa. Laura Maria Goretti da Motta, D.Sc.

_________________________________________________

Prof. Jorge Barbosa Soares, Ph.D.

_________________________________________________

Prof. Jacques de Medina, L.D.

_________________________________________________

Dra. Leni Figueiredo Mathias Leite, D.Sc.

_________________________________________________

Prof. Salomão Pinto, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

MAIO DE 2004

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CASTELO BRANCO, VERÔNICA TEIXEIRA FRANCO

Caracterização de Misturas Asfálticas Com o Uso

de Escória de Aciaria como Agregado

[Rio de Janeiro] 2004

XVIII, 135 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,

Engenharia Civil, 2004)

Tese – Universidade Federal do Rio deJaneiro,

COPPE

1.Misturas asfálticas 2.Escória de aciaria

I. COPPE/UFRJ II. Título (série).

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iii

Aos meus queridos Caio e Cristiano, para quem, neste período, não fui

suficiente mãe nem esposa, mas por me amarem tanto contribuíram

para que eu me tornasse suficientemente mais profissional.

AGRADECIMENTOS

Agradeço sinceramente:

• À Deus, em primeiro lugar e acima de qualquer coisa, por ter permitido que eu

passasse por este processo engrandecedor e por ter me dado coragem e

perseverança para superar todos os “contratempos” encontrados durante esta

caminhada chamada “mestrado”;

• À minha família que sempre me apoiou, incentivou e educou para a vida. Em

especial a minha querida mãe, Aurilêda Teixeira Franco Cavalcante, meu “espelho”

profissional e principalmente pessoal, que mesmo com saudades me encorajou em

todos os momentos;

• Ao meu marido, Cristiano Ribeiro Castelo Branco, pelo amor, companheirismo,

compreensão e paciência e por ter me dado, neste período, o presente mais

perfeito que meus olhos já viram: Caio Teixeira Franco Castelo Branco;

• À minha orientadora, Laura Maria Goretti da Motta, por ter me recebido de braços

e coração abertos, por ter permitido que eu compartilhasse da sua sabedoria que

me foi tão importante, pela cordialidade e atenção que sempre me deu, pelo

carinho com que sempre me tratou, pelas lições de humildade e generosidade que,

mesmo sem querer, me ensinou e, principalmente, por ter acreditado que eu era

capaz;

• Ao meu co-orientador, Jorge Barbosa Soares, a quem ouso chamar de amigo, por

ter mantido as “portas” do LMP sempre abertas para mim, me dado atenção e

carinho nos momentos mais difíceis desta caminhada, por ter aumentado

infinitamente meu potencial todas as vezes que se referiu a mim em público e me

criticado, de forma muito construtiva, em particular e, principalmente, por ter sido o

grande responsável pelo meu interesse por pesquisa e vida acadêmica;

• Às famílias Maya e Paulino Cavalcante, por terem me ajudado durante a minha

estada no Rio de Janeiro, sempre me recebendo com muito carinho;

• Às amigas Cíntia Cunha e Socorro São Mateus, por terem dividido o mesmo teto e,

por vezes, os mesmos problemas durante esta jornada. E por me ensinarem que

longe nem sempre quer dizer separado;

• Aos professores Ian Martins e Willy Lacerda por terem contribuído sobremaneira

para a minha formação, em especial ao prof. Ian por ter sido sempre muito

prestativo me ajudando antes mesmo que eu iniciasse o curso e durante o decorrer

do mestrado (às vezes até a distância);

• À turma da COPPE/UFRJ: Adriana Martins, Álvaro Dêlle, Ana Maria (que

gentilmente realizou os ensaios na COPPE/UFRJ), Bororó, Fabrício Mourão,

Fernando Affonso, Ricardo Gil, Sidclei Magalhães e em especial à amiga Vivianne

Pessoa Cardoso Guedes simplesmente por ter deixado que eu me tornasse sua

amiga, por nunca ter medido esforços para “quebrar todos os meus galhos de

jequitibá” fossem eles quais fossem e por ter dividido comigo as angústias por

estar longe de casa;

• À turma do LMP/DET/UFC: Annie Kariny, Conceição Lucena, Daniel Rodrigues

Aldigueri, Everton Bezerra Parente, Heberton Souto Moreira, Jorge Magalhães

Pinheiro, Thiago Aragão e Thiago Loureiro por terem dividido comigo as

preocupações do dia-a-dia, feito sugestões que me ajudaram nas soluções dos

problemas encontrados, e pelos momentos de diversão que vivemos, dentro ou

fora do laboratório. Em especial à Kamilla Lima Vasconcelos (amiga de todas as

horas, principalmente nas mais difíceis), por ter me ajudado tanto profissional

quanto pessoalmente, por ter sido a amiga fiel de sempre e por ter me ensinado a

encarar a vida de uma forma mais alegre;

• Ao professor Sérgio Armando de Sá e Benevides, que gentilmente me cedeu seus

dados para que algumas análises pudessem ser feitas e respondeu a todos os

meus questionamentos sobre o assunto;

• Aos laboratoristas Claiton Lopes e Rômulo Jácome pela disposição e “boa

vontade” sempre demonstradas para a realização das atividades laboratoriais tão

necessárias para a realização deste estudo;

• Ao CNPq pelo apoio financeiro fundamental para o desenvolvimento desta

pesquisa;

• À Gerdau Cearense S.A. e à Sobremetal Recuperação de Metais Ltda. pelo

fornecimento da escória utilizada neste estudo, mas acima de tudo por terem me

recebido e me ouvido com muito carinho;

• À Lubnor/Petrobras e ao Cenpes/Petrobras, em especial aos engenheiros João

Augusto Araújo Paiva e Leni Figueiredo Mathias Leite, pelo fornecimento do CAP,

apoio operacional e pelo fiel incentivo e confiança sempre em mim depositados;

• À todos, que direta ou indiretamente, me ajudaram na concretização deste sonho.

Resumo da Tese apresentada a COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários

para obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

CARACTERIZAÇÃO DE MISTURAS ASFÁLTICAS COM O USO DE ESCÓRIA DE

ACIARIA COMO AGREGADO

Verônica Teixeira Franco Castelo Branco

Maio/2004

Orientadores: Laura Maria Goretti da Motta

Jorge Barbosa Soares

Programa: Engenharia Civil

Este trabalho trata da caracterização de misturas asfálticas com utilização de

escória de aciaria como agregado. A escória de aciaria elétrica, proveniente da

Gerdau Cearense S.A., foi caracterizada química e fisicamente através dos ensaios

exigidos pela norma DNER – EM 262/94 e por outros considerados relevantes pela

autora. A expansibilidade da escória foi avaliada através do método PTM 130/78. As

misturas asfálticas são do tipo CBUQ com o uso de CAP 50/60, DOPE, escória de

aciaria e areia de campo. Estas misturas foram caracterizadas mecanicamente através

dos ensaios de resistência à tração estática por compressão diametral, módulo de

resiliência, fadiga por compressão diametral a tensão controlada e resistência à tração

retida por umidade induzida. Os resultados foram comparados com os obtidos para

uma mistura dosada com brita de origem granítica, areia de campo, pó de pedra, filer

mineral e o mesmo CAP, porém sem DOPE. A escória de aciaria apresentou

possibilidade de uso em revestimentos asfálticos. O aperfeiçoamento da metodologia

mostrou-se necessário face à dificuldade encontrada devido à heterogeneidade dos

agregados de escória de aciaria. O efeito do DOPE para as misturas avaliadas

mostrou-se irrelevante. O condicionamento prévio dos corpos de prova acarretou

aumento nos resultados dos ensaios de resistência à tração estática e módulo de

resiliência.

vii

Abstract of thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fullfilment of the

requirements for the degree of Masters of Science (M.Sc.)

CHARACTERIZATION OF HOT ASPHALT MIXES USING STEEL SLAG AS

AGGREGATE

Verônica Teixeira Franco Castelo Branco

May/2004

Advisors: Laura Maria Goretti da Motta

Jorge Barbosa Soares

Department: Civil Engineering

This study is about the characterization of hot asphalt mixes using steel slag as

aggregate. The electric steel slag, from Gerdau Cearense S.A., had its physical and

chemical characteristics determined by the DNER – EM 262/94 test procedure and

other tests considered important by the author. The expansive characteristics of the

steel slag aggregates were determined by PTM 130/78. The hot asphalt mixes

investigated had an asphalt cement 50/60, DOPE, steel slag and field sand. The

mixture properties tested included split tensile strength, resilient modulus, fatigue and

test moisture induced damage. The testing mixtures are compared with another mix

made with natural aggregates and the same asphalt cement, but without DOPE.The

steel slag can be use in hot mix asphalt concrete. The mixture design needs to be

adapted because the surface texture of the slag is variable (from very dense and solid

to vesicular). According to the result of the test moisture induced damage, the use of

the DOPE was not significant for the mixtures using steel slag. The mix which was

maintained under a temperature of 160°C during two hours before the compaction had

the highest value of split tensile strength and the highest value of resilient modulus.

viii

SUMÁRIO

ÍNDICE DE TABELAS............................................................................................ x

ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................................. xv

ÍNDICE

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO............................................................................... 01

CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................... 04

2.1 - Aço............................................................................................................ 04

2.2 - Escória...................................................................................................... 08

2.3 - Produção da escória de aciaria no Ceará................................................. 11

2.4 - Uso da escória de aciaria.......................................................................... 17

2.5 - A utilização da escória de aciaria em obras rodoviárias........................... 22

2.6 - Expansibilidade da escória....................................................................... 27

2.7 - Ocorrência de tufo..................................................................................... 33

CAPÍTULO 3 OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS............... 34

3.1 - Obtenção da escória de aciaria................................................................ 34

3.2 - Caracterização da escória de aciaria........................................................ 35

3.3 - Obtenção e caracterização dos demais agregados.................................. 50

3.4 - Obtenção e caracterização do CAP.......................................................... 52

3.5 - Obtenção e caracterização do DOPE....................................................... 55

CAPÍTULO 4 DOSAGEM MARSHALL................................................................ 56

4.1 - Densidade Máxima Teórica (DMT)........................................................... 58

4.2 - Agregados................................................................................................. 67

4.3 - Teor de Projeto (TP)................................................................................. 70

4.4 - Absorção de ligante.................................................................................. 80

CAPÍTULO 5 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA................................................. 84

5.1 - Resistência à tração estática por compressão diametral (DNER – ME

138/94).............................................................................................................. 85

5.2 - Módulo de resiliência (DNER – ME 133/94)............................................. 92

5.3 - Fadiga por compressão diametral a tensão controlada............................ 101

5.4 - Resistência à tração retida por umidade induzida (AASHTO T – 283/89) 105

5.5 - Comparação dos resultados.. ..................................................................

109

CAPÍTULO 6 APLICAÇÃO DOS RESULTADOS................................................ 113

6.1 - Dados gerais do trecho............................................................................. 113

6.2 - Análises utilizando o FEPAVE2............................................................... 116

CAPÍTULO 7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES................................................... 122

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................... 125

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 2.1.1 - Produção mundial de aço bruto por região, 10

toneladas (IBS,

2001)............................................................................................

Tabela 2.1.2 - Produção de aço bruto por processo de refino, no Brasil (IBS,

2002)..........………………………………………………………….. 06

Tabela 2.1.3 - Processos de fabricação do aço (MACHADO, 2000).................. 07

Tabela 2.1.4 - Tipos de fornos utilizados pelas siderúrgicas brasileiras (IBS,

2002 apud ROHDE, 2002)...........................................................

Tabela 2.2.1 - Composição da escória produzida pelo processo LD no Brasil

(IBS, 1998)…………………………………………………………… 09

Tabela 2.2.2 - Composições das escórias de aciaria elétrica (PEREIRA, 1994

apud MASUERO et al., 2000)......................................................

Tabela 2.4.1 - Campo de aplicação das escórias de diferentes origens (BRUN

e YUAN, 1994 apud GEYER, 2001)............................................ 19

Tabela 2.4.2 - Características das escórias de aciaria (NOURELDI e

McDANIEL, 1989)........................................................................ 20

Tabela 2.4.3 - Preços e receitas dos agregados siderúrgicos (IBS, 1998)......... 21

Tabela 2.4.4 - Comparação entre valores de insumos, para camada de base

(ALVARENGA, 2001).................................................................. 22

Tabela 2.5.1 - Proporções de escória utilizadas por SILVA (2003a).................. 26

Tabela 2.6.1 - Produtos formados na oxidação e corrosão do ferro

(MACHADO, 2000)...................................................................... 29

Tabela 2.6.2 - Variação de volume dos compostos após a hidratação

(WEAST, 1971 apud MACHADO, 2000)..................................... 29

Tabela 3.2.1 - Análise química quantitativa da amostra de escória .................. 37

Tabela 3.2.2 - Análise química semi-quantitativa da amostra de escória

realizada com a utilização do Microscópio de Varredura

Eletrônica (MVE).....................................………………………… 38

Tabela 3.2.3 - Ensaio de granulometria, em peso retido e porcentagem

passando da escória....................................................................

Tabela 3.2.4 - Graduação para o ensaio Los Angeles da norma ME 035

(1998).........................................………………………………...... 42

Tabela 3.2.5 - Resultado do ensaio de abrasão Los Angeles da escória .......... 42

Tabela 3.2.6 - Densidades e absorção da escória de aciaria graúda ................ 43

Tabela 3.2.7 - Expansão da escória de aciaria até o 14º dia do ensaio PTM

130/78.......................................................................................... 48

Tabela 3.2.8 - Expansão da escória após o 14º dia do ensaio PTM 130/78...... 49

Tabela 3.3.1 -. Densidade real da areia de campo ............................................. 51

Tabela 3.4.1 - Especificações e valores medidos para a amostra de CAP

50/60 Fazenda Alegre (Lubnor/Petrobras) ................................. 53

Tabela 3.4.2 - Composição química da amostra de CAP 50/60 Fazenda

Alegre (Cenpes/Petrobras).......................................................... 52

Tabela 3.4.3 - Resultados das análises relativas às especificações Superpave

da amostra de CAP 50/60 Fazenda Alegre (Cenpes/Petrobras).

Tabela 3.4.4 - Temperatura máxima do pavimento na região de Fortaleza e

grau de classificação SHRP do CAP necessário para atender

essa condição (SOARES, 2000)................................................. 54

Tabela 3.5.1 - Especificações do CAP-DOP (PETROBRAS, 2003)................... 55

Tabela 4.1.1 - Valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) e de Densidade

Máxima Medida (DMM) das misturas 1, 2 e 3, com 40,0%;

60,0% e 80,0% de escória, respectivamente.............................. 61

Tabela 4.1.2 - Valores de Densidade Máxima Medida (DMM) para a mistura 6

(40,0% de escória).......................................................................

Tabela 4.1.3 - Valores de Teor de Projeto (TP) (%) calculados a partir de

valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) e Densidade

Máxima Medida (DMM) para as misturas experimentais............ 63

Tabela 4.1.4 - Valores de Densidade Máxima Teórica (para as misturas 1 e

6) e Densidade Máxima Medida (para as misturas 2 e 3) para o

Teor de Projeto (TP).................................................................... 64

Tabela 4.1.5 - Valores de Densidade Máxima Teórica com obtenção das

densidades reais de maneira convencional (DMT) e não-

convencional (DMT*) das misturas 1, 2 e 3, com 40,0%; 60,0%

e 80,0% de escória respectivamente…………………….............. 66

Tabela 4.2.1 - Granulometria da mistura comparativa e limites da faixa C do

DNER para CBUQ....................................................................... 68

Tabela 4.2.2 - Porcentagem de uso dos agregados nas misturas

experimentais com escória.......................................................... 69

Tabela 5.1.1 - Resultados de Resistência à Tração indireta (RT) para as

misturas 1, 2 e 3 (40,0%; 60,0% e 80,0% de escória,

respectivamente) e comparativa..........................................…… 87

xii

Tabela 5.1.2 - Resultados de Resistência à Tração indireta (RT) para a

mistura 4 (40,0% de escória) e comparativa............................... 88

Tabela 5.1.3 - Resultados de Resistência à Tração indireta (RT) para a

mistura 5 (60,0% de escória) e comparativa............................... 88

Tabela 5.1.4 - Resultados de Resistência à Tração indireta (RT) para a

mistura 6 (40,0% de escória), ensaiada na UFC e na COPPE,

e comparativa.......................................……………..................... 90

Tabela 5.2.1 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para as misturas 1, 2 e

3 (40,0%; 60,0% e 80,0% de escória, respectivamente) e

comparativa.................................................................................

Tabela 5.2.2 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) obtidos em corpos de

prova em duas posições (0º e 90º) para a mistura 3 (80,0% de

escória)...........................................................................……….. 95

Tabela 5.2.3 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para a mistura 4

(40,0% de escória)......................…............................................. 96

Tabela 5.2.4 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para a mistura 5

(60,0% de escória)....................................................................... 97

Tabela 5.2.5 - Valores de Teor de Projeto (TP) convencional e acrescido do

percentual de ligante absorvido para as misturas experimentais

com escória de aciaria.................................................................

Tabela 5.2.6 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para a mistura 6

(40,0% de escória), ensaios realizados na UFC e na UFRJ, e

comparativa.................................................................................

100

Tabela 5.2.7 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) obtidos em um corpo

de prova ensaiado em três posições (0º, 90º e 180º) para a

mistura 6 (40,0% de escória)....................................................... 101

Tabela 5.3.1 - Constantes (MPa) do ensaio de fadiga para as misturas 2 e 6

(60,0% e 40,0% de escória, respectivamente) e

comparativa…………...................................................................

104

Tabela 5.4.1 -

Valores de Resistência à Tração indireta (RT) para a mistura 6

(40,0% de escória) com utilização de DOPE, sem DOPE e

mistura comparativa - corpos de prova sem condicionamento...

108

Tabela 5.4.2 - Valores de Resistência à Tração indireta (RT) para a mistura 6

(40,0% de escória) com utilização de DOPE, sem DOPE e

mistura comparativa - corpos de prova com condicionamento...

108

xiii

Tabela 5.5.1 - Resultados dos ensaios mecânicos para as misturas testadas

no projeto COPPETEC (1996)..................................................... 110

Tabela 5.5.2 - Constantes (MPa) do ensaio de fadiga para as misturas do

projeto COPPETEC (1996).......................................................... 111

Tabela 6.1.1 - Características físicas de projeto e obtidas em laboratório por

BENEVIDES (2000) da camada de revestimento do trecho

Pajuçara-Pacatuba………………………………………………….. 114

Tabela 6.1.2 - Características físicas de projeto e obtidas em laboratório por

BENEVIDES (2000) da camada de base do trecho Pajuçara -

Pacatuba......................................................................................

114

Tabela 6.1.3 - Características físicas de projeto e obtidas em laboratório por

BENEVIDES (2000) da camada de sub-base do trecho

Pajuçara - Pacatuba.................................................................... 115

Tabela 6.1.4 - Características físicas de projeto e obtidas em laboratório por

BENEVIDES (2000) do material de subleito do trecho Pajuçara

- Pacatuba................................................................................... 115

Tabela 6.1.5 - Equações do Módulo de Resiliência (MR) e correlações para

as camadas granulares do trecho Pajuçara-Pacatuba

(BENEVIDES, 2000)....................................................................

115

Tabela 6.1.6 - Resistência à Tração (RT), Módulo de Resiliência (MR) e

relação MR/RT para as misturas comparativa, 2 (60,0% de

escória) e 6 (40,0% de escória), utilizadas como revestimento

nas análises deste estudo........................................................... 116

Tabela 6.1.7 - Constantes (MPa) do ensaio de fadiga a tensão controlada, em

função da diferença de tensões, para as misturas comparativa,

2 (60,0% de escória) e 6 (40,0% de escória), utilizadas como

revestimento nas análises deste estudo......................................

116

Tabela 6.2.1 - Parâmetros K

e K

para dimensionamento das camadas

granulares do trecho Pajuçara-Pacatuba (BENEVIDES, 2000).. 117

Tabela 6.2.2 - Resultados das análises feitas com utilização do FEPAVE2,

utilizando a mistura comparativa como revestimento, para o

trecho Pajuçara-Pacatuba...........................................................

118

xiv

Tabela 6.2.3 - Resultados das análises feitas com utilização do FEPAVE2,

utilizando a mistura 2 (60,0% de escória) como revestimento,

para o trecho Pajuçara-Pacatuba................................................ 119

Tabela 6.2.4 - Resultados das análises feitas com utilização do FEPAVE2,

utilizando a mistura 6 (40,0% de escória) como revestimento,

para o trecho Pajuçara-Pacatuba................................................

119

Tabela 6.2.5 -

Resistência à Tração (RT), Módulo de Resiliência (MR) e

relação MR/RT para o revestimento (CBUQ original) do trecho

Pajuçara Pacatuba, estudado por BENEVIDES (2000)..............

121

Tabela 6.2.6 - Resultados das análises feitas com utilização do FEPAVE2,

utilizando a mistura original (CBUQ) como revestimento, para o

trecho Pajuçara-Pacatuba (BENEVIDES, 2000)......................... 121

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1.1 - Regionalização da produção de aço bruto no Brasil (IBS,

2002)............................................................................................

Figura 2.3.1 - Localização do município de Maracanaú, Ce (BOAVISTA,

2003)………………………………………………………………….. 12

Figura 2.3.2 - Fluxo de produção da Gerdau Cearense S.A. (ADERALDO,

2003)............................................................................................ 13

Figura 2.3.3 - Esquema de produção de escória em forno de arco elétrico

(GEYER et al., 1996 apud GEYER, 2001).................................. 14

Figura 2.3.4 - Etapas para separação da matéria-prima e fornos utilizados no

processo de beneficiamento do aço, Gerdau Cearense S.A....... 15

Figura 2.3.5 - Escória de aciaria elétrica produzida pela Gerdau Cearense

S.A...........................………………………………………………… 16

Figura 2.3.6 - Etapas do beneficiamento da escória na Sobremetal

Recuperação de Metais Ltda....................................................... 16

Figura 2.6.1 - Pavimento com utilização de escória não curada (SILVA,

2002)............................................................................................

Figura 2.6.2 - Exemplo de taxa de expansão do ensaio PTM 130/78............... 32

Figura 3.1.1 - Coleta da escória na Sobremetal Recuperação de Metais Ltda. 34

Figura 3.1.2 - Etapas do armazenamento e homogeneização da escória no

LMP/DET/UFC.............................................................................

Figura 3.2.1 - Fluxograma dos ensaios para caracterização da escória de

aciaria.......................................................................................... 36

Figura 3.2.2 - Picos dos elementos existentes na escória obtidos com a

utilização do Microscópio de Varredura Eletrônica (MVE) ......... 38

Figura 3.2.3 -

Fotos dos grãos da escória, escalas variadas (a) 50 µm, (b)

100 µm e (c) 500 µm....................................................................

Figura 3.2.4 - Exemplo de difratograma da escória utilizada............................. 39

Figura 3.2.5 - Granulometrias das amostras de escória.................................... 41

Figura 3.2.6 - Comparação entre as amostras de escória de aciaria e padrão. 44

Figura 3.2.7 - Tentativas para obtenção da curva de compactação da escória 46

Figura 3.2.8 - Determinação da umidade ótima da escória na energia

modificada, com a curva interpolada a partir dos resultados da

terceira tentativa..................................………….………………… 46

xvi

Figura 3.2.9 - Etapas para realização do ensaio de expansão da escória

pelo método PTM 130/78............................………...................... 47

Figura 3.2.10 - Percentuais de expansão diária e acumulada (leitura zero até o

14º dia) da escória no ensaio PTM 130/78.................................. 49

Figura 3.2.11 - Percentuais de expansão diária e acumulada para a escória

em continuação ao observado no ensaio PTM 130/78 (14º ao

30º dia)......................................................................................... 50

Figura 3.3.1 - Vista da pedreira e coleta dos agregados................................... 51

Figura 3.3.2 - Granulometria da areia de campo............................................... 51

Figura 4.1 - Metodologia adotada nesta pesquisa.......................................... 58

Figura 4.1.1 - Equipamento para medição da densidade máxima..................... 60

Figura 4.1.2 - Valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) e Densidade

Máxima Medida (DMM) das misturas 1, 2 e 3 com 40,0%;

60,0% e 80,0% de escória, respectivamente versus teor de

CAP............................................................................................. 61

Figura 4.1.3 - Valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) e Densidade

Máxima Medida (DMM) para a mistura 6 (40,0% de escória)

material no estado original (misturado e sem condicionamento)

e separado e condicionado versus teor de CAP...................…... 63

Figura 4.1.4 - Esquema agregado com ligante (VASCONCELOS et al. 2003). 65

Figura 4.1.5 - Valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) e Densidade

Máxima Teórica Rice (DMT*) para as misturas 1, 2 e 3 com

40,0%; 60,0% e 80,0% de escória, respectivamente versus

teor de CAP................................................................................. 66

Figura 4.1.6 - Valores de Densidade Máxima Medida (DMM) e Densidade

Máxima Teórica Rice (DMT*) paras as misturas 1, 2 e 3 com

40,0%; 60,0% e 80,0% de escória, respectivamente versus

teor de CAP………………………………………………................ 67

Figura 4.2.1 - Proporção dos agregados e fracionamento da escória ………… 68

Figura 4.2.2 - Enquadramento das misturas de agregados (experimentais e

comparativa) na faixa C do DNER……….................................... 69

Figura 4.2.3 - Granulometria Superpave das misturas experimentais e

comparativa................................................................................. 70

Figura 4.3.1 - Exemplo de obtenção do Teor de Projeto (TP)........................... 71

Figura 4.3.2 - Viscosidade (Poise) da amostra de CAP 50/60 Fazenda Alegre

versus temperatura (ºC)............................................................... 72

xvii

Figura 4.3.3 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a

mistura comparativa.................................................................... 72

Figura 4.3.4 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a

mistura 2 (60,0% de escória)....................................................... 74

Figura 4.3.5 - Diferenças entre os aspectos da escória utilizada...................... 74

Figura 4.3.6 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a

mistura 1 (40,0% de escória) ..............................……................. 75

Figura 4.3.7 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a

mistura 3 (80,0% de escória) ..............................……………...... 76

Figura 4.3.8 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a

mistura 4 (40,0% de escória) ..............................……………….. 77

Figura 4.3.9 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a

mistura 5 (60,0% de escória) ..............................……………….. 78

Figura 4.3.10 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a

mistura 6 (40,0% de escória) ..............................…………......... 79

Figura 4.3.11 - Ilustração da separação da escória de aciaria em dois grupos

pela aparência dos grãos para compor a mistura 6 (40,0% de

escória)........................................................................………….. 80

Figura 4.4.1 - Tomografia computadorizada do grão da escória utilizada

neste estudo................................................................................ 82

Figura 4.4.2 - Tomografia computadorizada dos corpos de prova moldados

com e sem a utilização de escória de aciaria como agregado.... 82

Figura 5.1.1 - Esquema do ensaio de Resistência à Tração indireta (RT) e

equipamento usado nesta pesquisa.......................................…. 85

Figura 5.1.2 - Valores de Resistência à Tração indireta (RT) para as misturas

1, 2 e 3 (40,0%; 60,0% e 80,0% de escória, respectivamente) e

comparativa................................................................................. 87

Figura 5.1.3 - Variação dos valores de Resistência à Tração indireta (RT)

versus teores de CAP para a mistura 4 (40,0% de escória) ....... 89

Figura 5.1.4 - Variação dos valores de Resistência à Tração indireta (RT)

versus teores de CAP para a mistura 5 (60,0% de escória)........ 90

Figura 5.1.5 - Valores de Resistência à Tração indireta (RT) para a mistura 6

(40,0% de escória), ensaiada na UFC e na COPPE, e

comparativa................................................................................. 91

Figura 5.2.1 - Equipamento para ensaio de Módulo de Resiliência (MR) de

misturas asfálticas usado nesta pesquisa................................... 92

xviii

Figura 5.2.2 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para as misturas 1, 2 e

3 (40,0%; 60,0% e 80,0% de escória, respectivamente) e

comparativa………………………………………………................ 94

Figura 5.2.3 - Variação dos valores de Módulo de Resiliência (MR) para a

mistura 4 (40,0% de escória)....................................................... 96

Figura 5.2.4 - Variação dos valores de Módulo de Resiliência (MR) para a

mistura 5 (60,0% de escória)......................................…............. 97

Figura 5.2.5 - Esquema interação ligante-agregados para a compensação da

heterogeneidade do material……………………………………… 99

Figura 5.2.6 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para as misturas

comparativa e 6 (40,0% de escória), ensaiada na UFC e na

UFRJ............................................................................................ 100

Figura 5.3.1 - Esquema da diferença de tensões e do equipamento utilizado

para o ensaio de vida de fadiga...................................................

103

Figura 5.3.2 - Vida de fadiga a tensão controlada (25ºC) para as misturas 2 e

6 (60,0% e 40,0% de escória, respectivamente) e comparativa. 104

Figura 5.4.1 - Ilustração da falta de recobrimento dos agregados pelo ligante

durante a moldagem Marshall dos corpos de prova................... 107

Figura 5.4.2 - Variação do Vv (%) com o número de golpes para a mistura 6

(40,0% de escória) no Teor de Projeto (TP)................................ 107

Figura 5.5.1 - Vida de fadiga a tensão controlada (25ºC) para as misturas

comparativa, 2 e 6 (60,0% e 40,0% de escória,

respectivamente) e para a mistura 1 do projeto COPPETEC

(1996).......................................................................................... 112

Figura 6.1.1 - Localização do trecho utilizado para análise de

dimensionamento........................................................................ 113

Figura 6.1.2 - Estrutura do trecho Pajuçara-Pacatuba....................................... 114

CAPÍTULO 1

1 INTRODUÇÃO

Diante da escassez de recursos financeiros para aplicação nos mais diversos setores

econômicos e da necessidade de proteção ambiental, torna-se viável o uso de

técnicas e materiais alternativos. A escória de aciaria, um subproduto da produção do

aço, é um rejeito que já vem sendo utilizado de várias formas desde a utilização na

construção de quebra-mares até na infra e superestrutura rodoviária.

A escória de aciaria gerada é cerca de 12,0% a 16,0% em massa da produção de aço

mundial. No Brasil, cada tonelada de aço produz entre 70 e 170 kg de escória de

aciaria e por ano são produzidas mais de 4 milhões de toneladas deste material. No

estado do Ceará são produzidas em torno de 10.000 toneladas de aço por mês,

resultando em, aproximadamente, 1.500 toneladas de escória de aciaria elétrica

produzidas.

O aproveitamento da escória é vantajoso para a indústria siderúrgica que gera este

rejeito, e pode ser vantajoso para sua utilização pela indústria de construção civil como

alternativa do uso de pedra britada a partir dos afloramentos rochosos. Para a primeira

pode agregar-se valor ao rejeito e diminuir os gastos com a ocupação de áreas de

deposição e tratamentos impostos pelas regras de proteção ambiental. Para a

construção, o preço do material granular pode cair, além do agregado de escória ser

tecnicamente competitivo.

A utilização da escória de aciaria, sozinha ou combinada, como agregado em

revestimentos asfálticos já vem sendo realizada desde 1970 em vários países, como

Estados Unidos, Inglaterra, Japão, Canadá, França, Alemanha, Polônia e Rússia. No

Brasil, as cidades de Vitória e Vila Velha, no estado do Espírito Santo, utilizam este

rejeito nas camadas de seus pavimentos e em vias não pavimentadas desde 1980

(SILVA, 1994; 2001b).

Como desvantagens do uso da escória de aciaria em projetos de pavimentação estão

a heterogeneidade do rejeito (devido à matéria-prima utilizada, ao processo de

fabricação do aço, à forma de resfriamento e ao armazenamento deste rejeito), a

porosidade (aumenta o consumo de cimento asfáltico e, conseqüentemente o custo), o

alto potencial expansivo deste material e a formação de tufo (precipitação do

carbonato de cálcio – CaCO

) que danifica o sistema de drenagem. A expansão é a

maior causadora dos defeitos encontrados nos pavimentos que utilizaram escória de

aciaria em suas camadas de revestimento e sub-camadas.

O objetivo geral desta pesquisa é:

• Avaliar o potencial de utilização da escória de aciaria elétrica, proveniente da

Gerdau Cearense S.A., como agregado em misturas asfálticas do tipo Concreto

Betuminoso Usinado a Quente (CBUQ).

Os objetivos específicos desta pesquisa são:

• Caracterizar o rejeito escória de aciaria através de ensaios laboratoriais

normatizados e por outros considerados relevantes para este estudo;

• Realizar a dosagem Marshall de misturas asfálticas com a utilização de escória de

aciaria, em diferentes proporções;

• Caracterizar mecanicamente as misturas experimentais;

• Comparar os parâmetros volumétricos obtidos na dosagem Marshall e os

parâmetros mecânicos das misturas com escória de aciaria como agregado, com

os parâmetros de uma mistura dosada com agregados pétreos no Laboratório de

Mecânica dos Pavimentos (LMP) / Departamento de Engenharia de Transportes

(DET) / Universidade Federal do Ceará (UFC).

A metodologia escolhida para obtenção destes objetivos foi a caracterização da

escória de aciaria química e fisicamente, e a avaliação do seu potencial expansivo,

observando-se o tempo de cura mínimo da escória. Os riscos de danos ambientais

causados por este resíduo, através dos ensaios de lixiviação e solubilização foram

avaliados. As misturas experimentais foram dosadas com diferentes proporções de

escória, 40,0%, 60,0% e 80,0%, aproximadamente, e as curvas granulométricas das

misturas foram propositadamente coincididas para que o número de variáveis a avaliar

diminuísse. Os parâmetros da dosagem Marshall foram obtidos para as misturas

asfálticas experimentais do tipo CBUQ, utilizando Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP)

50/60, substância adesivadora comercial DOPE, escória de aciaria, areia de campo e

fíler mineral. Utilizou-se a faixa C do DNER para CBUQ. As misturas foram avaliadas

mecanicamente através dos ensaios de Resistência à Tração estática por compressão

diametral (RT), Módulo de Resiliência (MR), fadiga por compressão diametral a tensão

controlada e resistência a tração retida por umidade induzida. As misturas com

utilização de escória de aciaria foram comparadas com uma mistura dosada somente

com agregados naturais, isto é, brita ¾” e 3/8” (origem granítica), pó de pedra, areia de

campo, fíler mineral e o mesmo CAP.

O presente trabalho está assim organizado:

• O Capítulo 1 é este capítulo de introdução;

• O Capítulo 2 é uma revisão bibliográfica, nacional e internacional, sobre o assunto

escória de aciaria. O processo de formação deste rejeito foi apresentado desde a

fabricação do aço, geração do rejeito, vantagens e desvantagens do uso deste

material em diversos campos de aplicação (em especial na construção rodoviária),

estudos já realizados com o uso de escória de aciaria e algumas características

deste material. Foi ainda dada ênfase à produção da escória de aciaria no Ceará,

visto que este estudo foi desenvolvido neste estado;

• O Capítulo 3 trata da obtenção e caracterização dos materiais utilizados na

presente pesquisa, isto é, escória de aciaria, areia de campo, filer mineral, CAP e

DOPE. Os ensaios utilizados para a caracterização, bem como seus resultados,

encontram-se também neste capítulo;

• O Capítulo 4 trata da dosagem Marshall das diversas misturas utilizadas neste

estudo. Discussões sobre a Densidade Máxima Teórica (DMT), misturas de

agregados, Teor de Projeto (TP) e absorção de ligante pelos agregados estão

neste capítulo;

• O Capítulo 5 apresenta a caracterização mecânica das misturas asfálticas através

dos ensaios: Resistência à Tração estática por compressão diametral (RT), Módulo

de Resiliência (MR), fadiga por compressão diametral a tensão controlada e

resistência à tração retida por umidade induzida;

• O Capítulo 6 é a análise dos resultados encontrados a partir do dimensionamento

de um trecho;

• O Capítulo 7 apresenta as conclusões deste estudo e as recomendações para

futuras pesquisas.

CAPÍTULO 2

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 - AÇO

O aço é uma liga metálica formada de ferro, pequenas quantidades de carbono (até

2,0%) e outros elementos (MAIA, 2002). A produção mundial de aço bruto passou de

30×10

toneladas em 1901 para 847×10

no ano de 2000. O desenvolvimento desta

produção, a partir de 1995 até 2000, pode ser visualizado na Tabela 2.1.1, bem como

a participação (%) de cada região/país no ano de 2000 (IBS, 2001). Atualmente, esta

produção já supera 945×10

toneladas (IBS, 2003).

Tabela 2.1.1 - Produção mundial de aço bruto por região, 10

toneladas (IBS, 2001)

Região / Ano 1995 1996 1997 1998 1999 2000 % (2000)

Europa 203,1 193,5 210,5 207,4 197,7 209,5 24,8

União Européia 155,8 146,6 159,9 159,9 155,1 163,2 19,3

Outros 47,3 46,9 50,6 47,5 42,6 46,3 5,5

C.E.I* 79,1 77,2 81,0 74,4 86,1 98,6 11,7

Rússia 51,6 49,3 48,5 43,8 51,5 59,1 7,0

Ucrânia 22,3 22,3 25,6 24,4 27,5 31,4 3,7

Outros 5,2 5,6 6,9 6,2 7,1 8,1 1,0

América do Norte 109,6 110,2 114,1 114,6 113,6 118,1 14,0

Estados Unidos 95,2 95,5 98,5 98,7 97,4 101,5 12,0

Canadá 14,4 14,7 15,6 15,9 16,2 16,6 2,0

América Latina 47,8 50,1 52,4 51,4 51,0 56,1 6,6

Brasil 25,1 25,2 26,2 25,8 25,0 27,9 3,3

Outros 22,7 24,9 26,2 25,6 26,0 28,2 3,3

África 13,7 12,7 12,9 12,8 12,7 13,5 1,6

África do Sul 8,7 8,0 8,3 8,0 7,9 8,4 1,0

Outros 5,0 4,7 4,6 4,8 4,8 5,1 0,6

Oriente Médio 8,3 9,4 10,1 9,4 10,1 11,0 1,2

Ásia 279,6 288,0 308,6 297,8 308,3 331,4 39,1

China 95,4 101,2 108,9 114,6 124,0 127,2 15,0

Japão 101,6 98,8 104,5 93,5 94,2 106,4 12,6

Outros 82,6 88,0 95,2 89,7 90,1 97,8 11,5

Oceania 9,3 9,2 9,5 9,7 8,9 9,2 1,0

Total 750,5 750,3 799,1 777,5 788,4 847,4 100,0

*Comunidade dos Estados Independentes

O Brasil está entre os dez maiores produtores de aço bruto do mundo, com 3,7% da

produção mundial no ano de 2003 (dados coletados até outubro). É, também, o maior

produtor da América Latina sendo sua produção 52,5% do total neste mesmo ano. Em

relação ao ano de 2002, a produção do aço aumentou em 6,0%, passando de 24,4

para 25,9×10

toneladas (IBS, 2003).

O estado do Ceará produz cerca de 0,3% da produção brasileira de aço bruto. O maior

produtor de aço bruto do Brasil é o estado de Minas Gerais com aproximadamente

41,0% da produção do país. A regionalização da produção de aço bruto pode ser

visualizada na Figura 2.1.1 (IBS, 2002).

3,8%

2,5%

93,7%

Sul

Nordeste

Sudeste

Figura 2.1.1 - Regionalização da produção de aço bruto no Brasil (IBS, 2002)

A siderurgia é dividida em dois grandes ramos: a íntegra (que possui como principais

matérias-primas, ferro e carvão) e a elétrica (que possui como principal matéria-prima,

sucata ferrosa). A segunda é mais atuante por possuir uma matéria-prima de menor

custo, mais disponível e, ainda, ser reciclável. A utilização da sucata é ainda superior

porque esta apresenta melhores características mecânicas se comparada com as

outras matérias-primas utilizadas no processo de produção do aço. Isto ocorre devido

à maior porcentagem de elementos químicos, tais como: cobre, níquel, cromo e

estanho nas sucatas que ficam presentes nas escórias (MAIA, 2002; BELGO, 2003).

São ainda utilizadas outras matérias-primas no processo: ferro gusa, obtido através da

redução do minério de ferro por adição de cálcio, ferro, silício, manganês e enxofre ao

processo, ferroligas (ajustam as composições químicas do aço e lhe conferem as

características mecânicas desejadas), cal (retém as impurezas do metal, forma a

escória e protege o forno contra os ataques químicos) e oxigênio (diminui o teor de

carbono e o tempo de fusão).

Existem três grandes processos de fabricação do aço, divididos pelo processo de

refino: LD (Linz-Donawitz) ou BOF (Blast Oxygen Furnace) que utiliza o conversor a

oxigênio, elétrico ou EAF (Eletric Arc Furnace) que utiliza o forno de arco elétrico e OH

(Open Heart) que utiliza o forno Siemens-Martin. No Brasil, são responsáveis por

cerca de 77,9%; 20,2% e 1,9% da produção de aço e conseqüentemente de escória,

respectivamente. A Tabela 2.1.2 mostra a produção do aço bruto no Brasil por

processo de refino (MACHADO, 2000; IBS, 2002).

Tabela 2.1.2 - Produção de aço bruto por processo de refino, no Brasil (IBS, 2002)

Processo de Aciaria 10

toneladas Forno de Refino

Oxigênio (LD / BOF) 20,8 Conversor a Oxigênio

Elétrico (EAF) 5,4 Forno de Arco Elétrico

OH 0,5 Forno Siemens-Martins

No processo LD não há necessidade de fonte de calor externa. Mistura-se ferro gusa

líquido, sucatas ferrosas, escorificantes (cal e fluidificante) e oxigênio na cuba. O aço é

fabricado através das seguintes operações: carregamento do conversor, sopragem,

observação do banho (temperatura e composição química), ressopragem e formação

do aço líquido e da escória. A última parte do processo é o lingotamento contínuo

onde o aço líquido é transformado em barras.

No EAF existe a necessidade de utilização de uma fonte de calor externa. As

matérias-primas são colocadas em cestões em quantidades pré-determinadas (a

depender das características do aço que se deseja obter) e, posteriormente, são

colocadas em uma abóboda (espécie de tampa do forno) fechada. O forno é então

ligado e os materiais fundidos. Este processo pode ser assim dividido:

• Carregamento do forno: adiciona-se carga metálica e escorificante (cal), se

necessário;

• Afinação oxidante: através da injeção de oxigênio consegue-se eliminar

elementos como carbono e fósforo;

• Afinação redutora: redução do teor de oxigênio e enxofre;

• Ajustamento da composição química: realizada através de adições;

• Formação da escória.

Finalizando, as barras de aço são desbastadas, preparadas e acabadas. O material

final ainda passa por um rigoroso controle de qualidade. A produção do aço segue as

especificações da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 7480/1996,

barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado. A referida norma

determina propriedades como massa linear, dobramento, nervuras e entalhes, para

aços do tipo CA 25, CA 50 e CA 60. Os processos de fabricação do aço são

detalhados na Tabela 2.1.3.

Tabela 2.1.3 - Processos de fabricação do aço (MACHADO, 2000)

Processos

LD ou BOF EAF

Forno de

Refino

Siemens-Martin

Conversor a oxigênio Forno de arco elétrico

Produtividade 300 ton/5 a 14 hs

250 ton/30 a 60 min **

Detalhamento

do Processo

Adição de sucata

metálica, calcário e

minério de ferro,

injeção de oxigênio

para provocar a

fusão e a agitação do

banho metálico

Adição de sucata e

gusa líquido (1300 a

1450ºC), injeção de

oxigênio gasoso em

alta velocidade. Após

a fusão, adiciona-se

cal virgem

Fusão da sucata de

aço, gerada por um

arco elétrico, formado

entre o aço e os

eletrodos de grafite ou

carvão amorfo. Após a

fusão, injeta-se

oxigênio

Escórias

Geradas

Oxidantes Oxidantes Oxidantes e Redutoras

Objetivo

Remoção de fósforo

através da adição de

CaO na fase de

refino

Redução dos teores

de carbono do ferro

gusa (de 4,0% para

0,1%), silício, enxofre

e fósforo

Oxidação de carbono,

silício e fósforo;

desulfuração do aço

líquido e adição de

elementos de liga

*Em desuso no Brasil

**Produção variável, cerca de 100 a 150 kg de escória por tonelada de aço líquido

Os tipos de fornos utilizados pelas siderúrgicas brasileiras podem ser vistos na Tabela

2.1.4 (IBS, 2002

apud ROHDE, 2002). Grande parte da literatura publicada sobre a

utilização de escórias de aciaria não faz distinção entre os fornos utilizados para

produção das mesmas.

IBS - Instituto Brasileiro de Siderurgia. Contato Pessoal de Rohde. 2002. Brasil.

Tabela 2.1.4 - Tipos de fornos utilizados pelas siderúrgicas brasileiras (IBS, 2002 apud

ROHDE, 2002)

Tipo de Forno

Empresa Localização

OH LD/BOF EAF

Acesita S.A. MG X X

Aço Minas Gerais S.A. (AÇOMINAS) MG/SP X

Aços Villares S.A. SP X

Cia. Siderúrgica Belgo Mineira MG/SP/ES X X

Cia. Siderúrgica Nacional (CSN) RJ X

Cia. Siderúrgica Paulista (COSIPA) SP X

Cia. Siderúrgica Tubarão (CST) ES X

Gerdau S.A. MG/PE/RS/PR/CE/BA X X X

Siderúrgica Barra Mansa S.A. RJ X

Usinas Siderúrgicas de Minas Gerais S.A.

(USIMINAS)

MG X

Vallourec & Mannesman Tubes - V & M do

Brasil S.A.

MG X

Villares Metais S.A. SP X

2.2 - ESCÓRIA

Os rejeitos siderúrgicos são oriundos do processo industrial para beneficiamento do

aço. Dentre outros, é possível citar como rejeito da indústria do aço: escória de alto-

forno, pó de alto forno, lama de alto-forno, escória de dessulfuração, escória de aciaria

LD, lama grossa de aciaria, lama fina de aciaria e carepa (GEYER, 2001). As escórias

são os resíduos de maior geração (mais de 60,0% da geração de resíduos) neste tipo

de processo. Existem dois tipos de escórias siderúrgicas produzidos em larga escala:

• Alto-forno: resultante da fusão redutora dos minérios para obtenção do ferro gusa

(obtido diretamente do alto forno, em geral com elevado teor de carbono e várias

impurezas), obtidas em conversores;

• Aciaria: resultante da produção do aço. São obtidas em fornos elétricos e

conversores a oxigênio, durante a conversão de sucata em aço. Estas escórias

podem ser tanto oxidantes (produzida pela injeção de oxigênio no aço fundido

para oxidar carbono, silício e enxofre) quanto redutoras (gerada após o

vazamento da escória oxidada através da adição de óxido de cálcio - CaO e de

fluorita- CaF

. Estes dois compostos são injetados no processo para dessulfurar o

aço líquido e adicionar elementos de liga) (MACHADO, 2000).

Durante o processo de produção do aço são eliminados carbono, CaO e os íons de

alumínio, silício e fósforo que tornam o aço frágil, quebradiço e difícil de ser

transformado em barras (ZIEMKIEWIC, 1998). Todos estes elementos e compostos

eliminados entram na composição da escória. Dentre as impurezas do processo que

formarão a escória estão silicatos de cálcio (CaSiO

), óxido de silício (SiO

), ferrita

cálcica (CaFe

), óxido de magnésio (MgO) e outros. Os altos teores de CaO e MgO

livres, presentes nas escórias, são devidos ao fato de que, depois que o fósforo e o

silício se oxidam, estes elementos precipitam porque ultrapassam os limites de

solubilidade da escória fundida (JOHN, 2003). As composições típicas de algumas

escórias de aciaria elétrica produzidas no Brasil e no mundo podem ser vistas nas

Tabelas 2.2.1 e 2.2.2.

Tabela 2.2.1 - Composição da escória produzida pelo processo LD no Brasil (IBS,

1998)

Composto CaO MgO SiO

FeO MnO

Quantidade (%) 6 - 45 1 - 9 7 - 16 1 - 4 8 - 30 3 - 7

Tabela 2.2.2 - Composições das escórias de aciaria elétrica (PEREIRA, 1994

apud

MASUERO et al., 2000)

País

Geração

kg/ton

CaO

(%)

MgO

(%)

SiO

(%)

FeO

(%)

MnO

(%)

Brasil 150 33 10 18 6 30 5 0,9 0,1

Japão 127 40 4 25 5 19 7 - 0,06

Suécia 100 46 5 11 5 28 4 0,7 -

EUA 160 41 10 17 8 18 4 0,6 0,2

Alemanha 120 32 10 15 4 31 4 1,4 0,1

Itália 120 41 8 14 7 20 6 0,9 0,1

As escórias de aciaria, tanto de alto forno quanto elétrica (NBR 5019/82), depois de

beneficiadas tornam-se agregados siderúrgicos. Estes agregados são definidos como

material não metálico e podem ser classificados como agregado bruto, graduado de

alto forno (oriundo da escória de alto forno) ou como agregado graduado de aciaria

(oriundo da escória de aciaria elétrica) (IBS, 1998).

Pereira, E.A.C. Aspectos Técnicos de Gestão de Resíduos nas Siderúrgicas Integradas a Coque. In: 25º

Seminário de Redução, Matérias-Primas e Resíduos na Siderurgia. Volta Redonda, RJ, p. 187-199, 1994.

Em 2000, cerca de 85×10

toneladas de escória foram geradas no mundo. No Brasil,

em 1998, foram produzidas mais de 4×10

toneladas deste rejeito (MACHADO, 2000;

FILEV, 2003). Em média, cada tonelada de aço gera 150 kg de escória (SILVA e

MENDONÇA, 2001a; COSIPA, 2003). A parte metálica da escória de aciaria (20,0%) é

removida com um imã e recirculada no processo, enquanto que 80,0% ficam sem

utilidade e são armazenados em grandes áreas e vendidos como rejeito

(www.inventabrasil.hpg.ig.com.br, 11/06/2003).

Tanto a produção quanto a composição da escória dependem de alguns fatores,

dentre eles: o processo ou tipo de forno utilizado no beneficiamento do aço, o tipo de

matéria-prima utilizada, a especificação do aço produzido, o resfriamento do rejeito,

etc. Este material sai do forno com uma temperatura, aproximada, de 1500ºC. O tipo

de resfriamento deste rejeito afeta também a granulometria deste material, porque é

neste momento que ocorre a maior parte das reações químicas (LIMA et al., 2000).

Escórias que são resfriadas ao ar são, geralmente, inertes devido à cristalização de

seus óxidos. Escórias resfriadas rapidamente (ar ou vapor) possuem natureza

expandida e tornam-se leves. Escórias resfriadas bruscamente (jato d’água) são

vítreas, com granulometria semelhante a areia de rio, estrutura porosa e textura

áspera. As escórias ácidas costumam ser mais densas, enquanto que as básicas são

mais porosas (com estrutura vesicular) (GEYER, 2001). A composição química de

uma determinada escória pode variar, para um mesmo dia de produção, de 30,0% a

60,0% para o CaO, de 0,0% a 35,0% para o óxido de ferro (Fe

) e de 15,0% a

30,0% para o SiO

(MACHADO, 2000).

Segundo o DNER (1994j), a escória para uso em pavimentação deve obedecer aos

seguintes limites:

• Máximo de 3,0% de expansão;

• Isentas de impurezas orgânicas, contaminação com escórias de alto forno, solos

e outros materiais;

• Granulometria: 40,0% até 12,7 mm e 60,0% entre 12,7 e 50,8 mm de abertura

nominal e atender a granulometria de projeto;

• Absorção de água: 1,0% a 2,0% em peso;

• Massa específica: 3,0 a 3,5 g/cm

;

• Massa unitária: 1,5 a 1,7 kg/dm

;

• Desgaste por abrasão Los Angeles: no máximo igual a 25,0% para sub-base,

base e revestimento;

• Durabilidade ao sulfato de sódio: 0,0% a 5,0%, em 5 ciclos.

Vale salientar que, a citada norma do DNER para uso de escória de aciaria em

pavimentos rodoviários não especifica o tipo de processo de refino utilizado na

fabricação do aço que será responsável pela geração da escória. A norma EB – 2103

(1994) da ABNT, materiais para sub-base ou base de pavimentos estabilizados

granulometricamente, especifica que para utilização em sub-base e base de

pavimentos a expansão da escória, utilizando o método PTM 130/78, deve ser no

máximo igual a 1,0% e 0,5%, respectivamente (MACHADO, 2000).

Outros países já especificaram o uso da escória para construção rodoviária. A França,

por exemplo, especificou o que chamam de grave-laitier que consiste na mistura deste

rejeito com agregados comuns ou com cal hidratada (Ca(OH)

), que também é

chamada de hidróxido de cálcio, para ser utilizada em construções de base ou sub-

base de pavimentos. Cerca de 65,0% das rodovias francesas utilizam este material. A

África do Sul utiliza mistura de escória com cal (na proporção de 4:1) em seus

pavimentos (SHERWOOD, 1995

apud ROHDE, 2002).

2.3 - PRODUÇÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA NO CEARÁ

No Ceará são produzidas em torno de 120.000 toneladas de aço por ano, resulta

deste total, 15,0% em massa de escória de aciaria. A produção cearense pode ser

considerada pequena se comparada com a Companhia Siderúrgica Nacional (CSN),

cuja produção atinge o valor de 85.000 toneladas por mês (ALVARENGA, 2001). A

Gerdau Cearense S.A. foi fundada em 1982 e é a única siderúrgica do Estado.

Localizada no município de Maracanaú, distante 30 km da capital Fortaleza (Figura

2.3.1), utiliza o processo EAF em seu refino. O fluxo de produção da empresa é

mostrado na Figura 2.3.2 e um esquema do processo utilizado está mostrado na

Figura 2.3.3.

Sherwood, P.T. Alternative Materials in Road Construction. London: Thomas Telford, 124p., 1995.

Figura 2.3.1 - Localização do município de Maracanaú, Ce (BOAVISTA, 2003)

Figura 2.3.2 - Fluxo de produção da Gerdau Cearense S.A. (ADERALDO, 2003)

Produção da

escória de aciaria

Figura 2.3.3 - Esquema de produção de escória em forno de arco elétrico (GEYER et

al., 1996

apud GEYER, 2001)

A Gerdau Cearense S.A. utiliza como matéria-prima a sucata ferrosa e o ferro gusa,

aproximadamente 90,0% e 10,0% de cada, respectivamente. A sucata é colocada em

um pátio onde a mesma é separada e prensada (para o caso da sucata leve) ou

cortada (para o caso da sucata pesada), com o intuito de reduzir o volume.

Posteriormente este material é colocado em cestões com capacidade para dez

toneladas e conduzido para os fornos através de pontes rolantes. A matéria-prima é

então fundida em dois fornos. No primeiro, forno elétrico, são feitas adições de grafite,

carbono e oxigênio e é gerada a escória de refino oxidante. Neste forno são gerados

em torno de 80,0% da escória produzida. No segundo, forno panela, são feitas adições

de ligas ferro-silício, ferro-manganês e cal (com a finalidade de absorver e neutralizar

os óxidos ácidos que seriam responsáveis por ataques ao forno) e é gerada a escória

de refino redutor. Estas adições são também feitas para ajustar a composição química

do aço. As etapas para separação da matéria-prima, bem como os fornos da Gerdau

Cearense S.A. estão na Figura 2.3.4.

Geyer, R. M. T.; Dal Molin, D.; Vilela, A.C. Possibilidades e fatores limitantes da reutilização de escórias

de aciaria na construção civil. In: Congresso Anual da ABM, 51. Porto Alegre, RS. 1996, p.5-9.

(a) Pilha de matéria-prima (sucata) (b) Pátio de separação da matéria-prima

Figura 2.3.4 - Fornos utilizados no processo de beneficiamento do aço, Gerdau

Cearense S.A.

A escória é transportada posteriormente para a empresa que comercializa este

resíduo, Sobremetal Recuperação de Metais Ltda., também localizada no estado do

Ceará. Após o resfriamento que transforma a escória líquida em sólida com cor

acinzentada e forma cúbica (ALVARENGA, 2001), a mesma é transportada por

esteiras e passada através de um eletro-imã. Cerca de 20,0% da escória de aciaria é

metálica e, depois de separada, é recirculada no processo (chamada de sucata “C” ou

recuperada). O aspecto da escória produzida pode ser visualizado na Figura 2.3.5.

Figura 2.3.5 - Escória de aciaria elétrica produzida pela Gerdau Cearense S.A.

O material é britado e por meio de correias rolantes e separado nas graduações de 1”,

3” e 8”. A escória é estocada pela empresa em pilhas a céu aberto, o que provoca uma

pré-expansão da mesma. Porém, o rejeito é estocado sem controle de idade e/ou de

tipo, o que é um entrave à sua comercialização. As etapas para o beneficiamento

deste rejeito na indústria que comercializa o mesmo podem ser visualizadas na Figura

2.3.6.

(a) Britagem da escória (b) Pilha de escória armazenada

Figura 2.3.6 - Etapas do beneficiamento da escória na Sobremetal Recuperação de

Metais Ltda.

Atualmente, a Sobremetal Recuperação de Metais Ltda. vende a maior parte deste

rejeito para ser utilizado em aterros na capital Fortaleza. Porém, a Prefeitura Municipal

de Maracanaú já utiliza este material em rodovias primárias com o intuito de facilitar o

tráfego e diminuir a formação de poeira (ADERALDO, 2003).

A Gerdau Cearense S.A. realiza, a cada seis meses, no estado de São Paulo a

avaliação do potencial contaminante deste rejeito. Este material é classificado como

Classe – II (NBR 10004), isto é, não inerte, merecendo, porém acondicionamento

especial para evitar o contato com o solo e sua posterior contaminação. Este

procedimento não é adotado pela citada siderúrgica.

2.4 - USO DA ESCÓRIA DE ACIARIA

Na Europa em 1982 foram produzidas, aproximadamente, 9×10

toneladas de escória,

o que alertou para o fato de que este material deveria ser reutilizado para muitos

outros fins, além de matéria-prima para a indústria de fertilizantes (MACHADO, 2000).

No Brasil, a maior parte da escória de aciaria é LD e elétrica. Cerca de 56,0% e 65,0%

destas escórias, respectivamente, são estocados enquanto o restante é utilizado na

construção de bases e sub-bases de rodovias ou em lastros ferroviários (IBS, 1998).

Porém as escórias podem ser utilizadas em diversos fins, como:

• Matéria-prima na indústria de vidro e vitro-cerâmica, principalmente, as escórias

de alto forno, após tratamento térmico, são utilizadas para este fim como

substituto ao feldspato devido ao seu alto teor de sílica e óxidos metálicos;

• Produção de fertilizantes agrícolas termofosfatados, ou aditivo no cultivo de

plantas e algas devido à composição química da escória (devido aos seus

elevados teores de CaO e pentóxido de fósforo - P

). Esta aplicação, a partir de

1982 na Europa, passou a ser controlada por causa do alto teor de fósforo e de

metais pesados (chumbo, por exemplo) presentes nas escórias evitando, assim, a

toxicidade;

• Estabilização de solos, por apresentar maior rugosidade superficial, excelente

índice de forma, maior angulosidade, maior resistência ao desgaste e aumento da

resistência dos solos (MACHADO, 2000). Esta utilização é limitada pelo alto

potencial expansivo deste rejeito;

• Matéria-prima para produção de cimento, devido à presença dos silicatos

dicálcico e tricálcico (2CaO-SiO

e 3CaO-SiO

) que tornam o material com

composição química muito parecida com o clínquer formado na produção do

cimento Portland. Além disso, a substituição parcial do calcário por escória traz

vantagens como: diminuição do calor para formação do clínquer e da formação de

gases poluentes (como o gás carbônico - CO

). Para este uso, a escória precisa

ser reajustada quimicamente. GEYER (2001) classificou como viável a utilização

de 10,0% da escória de refino redutor como adição ao cimento para produção de

concreto;

• Nas próprias siderúrgicas, tanto como material reciclado, que é novamente

incorporado ao processo como fundente, quanto como protetor do revestimento

refratário dos fornos (substituindo a cal e o calcáreo) (ROHDE, 2002);

• Agregado na produção de concreto, por possuir alta resistência à compressão e

durabilidade à abrasão. É necessário atentar, porém, para o alto potencial de

desintegração que este rejeito possui. MASUERO et al. (2000) avaliaram a adição

de 20,0% de escória de aciaria elétrica em concreto. Como resultados obtiveram

que as propriedades mecânicas (resistência à compressão e resistência à tração

na flexão) avaliadas foram superiores para o concreto com adição deste rejeito

em relação ao concreto sem adição. Além disto, houve redução do consumo de

cimento para o concreto produzido com escória;

• Construção de lastros no leito de ferrovias, por possuir alta massa específica. É

necessário garantir a baixa condutividade deste rejeito, quando for utilizado para

este fim, para garantir a não formação de fagulhas no caso de transporte de

cargas inflamáveis;

• Controle na drenagem de ácidos. A escória de aciaria tem altas taxas de

alcalinidade capazes de neutralizar ácidos. Estas taxas podem ser mantidas

durante anos a céu aberto, porque a mesma não absorve o CO

do ar e re-

converte em calcita insolúvel. O pH deste material é próximo de 10 devido à

grande presença de CaO, MgO e SiO

. Por apresentar, em sua maioria, aspecto

poroso, possui alta permeabilidade permitindo a passagem d’água, o que facilita a

drenagem dos ácidos;

• Utilização na infra e superestruturas rodoviárias, bem como em forma de cascalho

em vias não pavimentadas para evitar a formação de poeira. Este material tanto

pode ser utilizado em base e sub-base de pavimentos quanto como agregado na

confecção de misturas asfálticas. A escória é mais utilizada em camadas

inferiores do que como agregado em revestimentos;

• Outros fins, tais como: execução de aterros, construção de peças de quebra-mar,

contenção sendo utilizada na fabricação de gabiões, etc.

BRUN e YUAN (1994)

apud GEYER (2001) mostram as diferentes origens das

escórias aplicadas em vários campos. A procedência deste rejeito, em relação ao

campo de aplicação da mesma, pode ser visualizada na Tabela 2.4.1. O tipo de

resfriamento da escória também interfere no seu potencial de utilização. Escórias

Brun, D.W. e Yuan, W.C. Caracterização e aproveitamento dos resíduos siderúrgicos principais gerados

pela aciaria elétrica. Porto Alegre: PPGEMM/UFRGS, 1994, 34p. (Seminário da disciplina MTMD99 –

Tópicos especiais – Resíduos industriais siderúrgicos: caracterização e aproveitamento).

resfriadas ao ar são utilizadas, principalmente, como agregados para construção de

estradas e em lastros de ferrovias. Já as escórias resfriadas bruscamente (granuladas)

são potencialmente utilizadas como agregado em concreto, aterro, fabricação de

tijolos, adições em concreto de cimento Portland, vidros, granito sintético, concreto

leve e matéria-prima para produção do cimento (GEYER, 2001).

Tabela 2.4.1 - Campo de aplicação das escórias de diferentes origens (BRUN e

YUAN, 1994 apud GEYER, 2001)

Procedência da Escória

Campo de Aplicação

Aciaria Alto-forno Ferro-liga

Ferroviário X

Rodoviário X X X

Construção Civil X X X

Agricultura X X X

Fábrica de Cimento X X

Metalúrgico X X

A utilização da escória de aciaria pode trazer benefícios:

• Ambientais: diminui-se o problema da deposição deste rejeito que necessita de

grandes áreas para descarte e ao mesmo tempo diminui-se a degradação

ambiental provocada pela extração de agregados pétreos. A legislação ambiental

exige a disposição em contêiners de concreto para evitar a contaminação do solo

e a emissão de poeira (JOHN, 2003). A avaliação através dos processos de

lixiviação (NBR 10005/ABNT, 1987) e solubilização (NBR 10006/ABNT, 1987) se

faz necessária. Estudos realizados nos Estados Unidos verificaram que não há

escoamento de nenhum metal pesado (UFPR, 2003). Porém, ROHDE (2002)

classificou a escória de aciaria elétrica utilizada em seu estudo como resíduo de

classe II (não inerte), capaz de causar danos ao meio ambiente e à saúde pública.

A partir da análise do extrato solubilizado, a citada autora verificou concentrações

de cádmio, chumbo, cromo e carbonato de cálcio (CaCO

) superiores ao

especificado pela norma, além de uma dureza acima do estabelecido pela NBR

10004/ABNT 1987 (resíduos sólidos). A escória utilizada neste estudo também é

classificada como classe II (ADERALDO, 2003);

• Técnicos: apresenta várias possibilidades de uso e vantagens em relação aos

materiais que pode substituir. Os grãos da escória, devido a sua forma e textura,

apresentam maior resistência à derrapagem e ao desgaste superficial. Além de

serem 100,0% trituráveis, apresentam melhor trabalhabilidade e compacidade se

comparados com grãos de outros agregados (MACHADO, 2000). Apresenta boa

adesividade para emulsões e Cimentos Asfálticos de Petróleo (CAP), se

comparada com agregados pétreos (SILVA, 1991). Possui alto coeficiente de

atrito (0,58; 0,53 e 0,48 para revestimentos executados com escória de aciaria,

com brita e com concreto de cimento Portland; respectivamente), o que confere

ao pavimento qualidades anti-derrapantes (CARNEIRO, 1993

apud MACHADO,

2000). Desde que britada, atende às várias faixas granulométricas existentes,

possui alto Índice de Suporte Califórnia (ISC), baixa abrasão Los Angeles, alto

poder hidráulico por possuir estrutura vesicular, comparativamente com a brita

apresenta maior peso próprio e menor equivalente de areia, comportamento

tensão-deformação pouco dependente da umidade e da energia de compactação

(SILVA, 1994; KHAN e WAHHAB, 1998; ALVARENGA, 2001). Apresenta

hidraulicidade, quando em contato com a água há reação com os CaO e SiO

formando hidratos. Em atmosferas alcalinas, ocorre a formação de hidratos com o

óxido de alumínio (Al

) que aumenta significativamente a dureza do rejeito.

Este fato faz com que o pavimento, que utiliza escória como agregado, tenha um

comportamento estrutural semi-rígido ou rígido (LIMA et al., 2000). As

características típicas de escórias de aciaria são apresentadas na Tabela 2.4.2;

Tabela 2.4.2 - Características das escórias de aciaria (NOURELDIN e McDANIEL,

1989)

Característica Valor

Densidade Aparente 3,2 – 3,6

Porosidade (%) > 3

Abrasão Los Angeles (%) 20 – 25

Durabilidade ao sulfato de sódio (%) < 12

Dureza 6 – 7

ISC (%) > 300

Polaridade Alcalina (pH 8 –10)

Teor de ligante (%), misturas densas > 6,5

• Econômicos: ROHDE (2002) cita que a demanda por agregados para construção

civil gerada pelo crescimento econômico é muito significativa. A construção de

estradas representa cerca de 1/3 desta demanda. Este rejeito possui alta

produção e custo bem inferior ao da brita (Tabela 2.4.3), até uma certa distância

Carneiro, F.A.V., Emprego de Escórias Siderúrgicas Integradas na Engenharia Civil, Tese M.Sc., UFF,

Niterói, RJ, Brasil, 1993.

média de transportes, ideal para utilização em zonas urbanas. ALVARENGA

(2001) mostrou que para a região de Volta Redonda, tanto a aquisição da escória

quanto a execução de um pavimento utilizando este rejeito, seriam mais baratas

do que a execução e a construção utilizando brita num raio de aproximadamente

120 km (Tabela 2.4.4). LIMA et al. (2000) acreditam que a escória de aciaria é um

agregado competitivo para distâncias de até 80 km para utilização do transporte

rodoviário e até 150 km para utilização do transporte intermodal (ferroviário e

rodoviário). Se usada em contenções ou lastros, o seu maior peso próprio resulta

em diminuição dos custos no dimensionamento devido à economia de material

(GEYER, 2001). BAYOMY e WAHHAB (1985)

apud BAGAMPADDE et al. (1999)

citam que o aumento no valor do transporte deste material, devido ao seu peso

próprio, é compensado com a redução da espessura do pavimento que utiliza

este rejeito como agregado. É necessário ainda contabilizarem-se os custos

ambientais, tais como: custo da remoção e estocagem da camada vegetal, custos

das obras de proteção ambiental das áreas de bota-fora, custo do transporte do

material utilizável, custo da recuperação ambiental das áreas degradadas, custos

burocráticos junto aos órgãos ambientais e governamentais, etc. GALDEANO et

al. (1994)

apud GEYER (2001) comentam que o custo do transporte e da

preparação da área para descarte deste rejeito é em torno de 25 dólares por

tonelada deste material.

Tabela 2.4.3 - Preços e receitas dos agregados siderúrgicos (IBS, 1998)

Preço (R$ / m

)

Receita (R$ × 10

/ anual)

Tipo

Atual Potencial Atual Potencial

Alto forno granulado 7,50 15,00 41,63 84,00

Aciaria LD 2,10 4,00 1,11 9,20

Aciaria elétrica graduada 2,20 4,00 1,14 2,40

Alto forno moído - 45,00 - 252,0

Bayomy, F. e H.I. Abdul Wahhab, 1985, “Utilization of Hadeed Slag in Pavement Construction in Saudi

Arabia”, Proc. 3

IRF Regional Conf., Ministry of Communications, Riyadh, Saudi Arabia, 5.97-5.111.

Galdeano, O.V.R. et al. A experiência da CSN na reciclagem de resíduos sólidos nas sinterizações da

CSN. In: Seminário de Redução e Matérias-Primas Resíduos na Siderurgia, 25, Volta Redonda, RJ, 1994,

p. 271-285.

Tabela 2.4.4 - Comparação entre valores de insumos para camada de base

(ALVARENGA, 2001)

Preço (R$/ m

)

Insumo

Material Execução

Escória de Aciaria 3,60 6,31

Brita Graduada 25,00 27,71

2.5 - A UTILIZAÇÀO DE ESCÓRIA DE ACIARIA EM OBRAS RODOVIÁRIAS

Desde 1979 a escória de aciaria vem sendo utilizada na infraestrutura de estradas em

países como Estados Unidos, Inglaterra, Japão e Canadá. No Brasil, baseada nas

informações disponíveis, este uso teve início em 1986 com a execução de 100 km de

base e sub-base no estado do Espírito Santo (SILVA, 1994; SILVA e MENDONÇA,

2001b). Países como Grã-Bretanha, Alemanha, Polônia, França, Japão, Estados

Unidos e Rússia utilizam escória de aciaria, sozinha ou combinada, como agregado

em revestimentos asfálticos. SILVA e MENDONÇA (2001a) relatam que pavimentos

construídos com este material suportaram tráfego pesado, como, por exemplo, o

transporte de placas de aço, por 16 anos.

NOURELDIN e McDANIEL (1989) avaliaram a utilização de escória de aciaria em

diferentes porcentagens (87,0%; 73,0% 59,0% e 40,0%) em misturas asfálticas para

serem utilizadas em pavimentos com alto volume de tráfego. Como resultado

obtiveram que as misturas com utilização deste rejeito apresentaram alta estabilidade

Marshall (até 1.273 Kg) e resistência à tração da ordem de 1,1 MPa. Os autores ainda

realizaram avaliação em campo e verificaram uma boa condição de superfície e

resistência à derrapagem. Foi sugerido então, que a expansibilidade da escória fosse

combatida com a utilização de um maior teor de cimento asfáltico apesar da redução

de estabilidade que esta atitude produz. O alto teor de ferro e Fe

neste material

provocou um endurecimento da mistura asfáltica e aumentou o trincamento quando a

mesma foi utilizada em baixas temperaturas. Sugeriram então o uso de cimentos

asfálticos menos viscosos. Ainda recomendaram o uso de misturas asfálticas mais

“abertas” e a substituição dos finos da escória por finos de agregados naturais para

diminuir o alto peso específico do material.

SILVA (1991) verificou a potencialidade de uso de escória de aciaria estabilizada

granulometricamente com e sem mistura com argila (em diferentes proporções) em

bases e sub-bases de pavimentos e em misturas usinadas a frio que utilizaram

escória, areia e emulsão asfáltica. Estas misturas asfálticas foram confeccionadas com

80,0% e 100,0% deste rejeito nas faixas C do DER-SP e B da Ipiranga,

respectivamente. O autor propôs algumas seções tipo, a depender da capacidade de

suporte do subleito, para pavimentos construídos com a utilização deste rejeito.

SILVA (1994) avaliou misturas de escória, argila e areia (em várias proporções) em

sub-bases, bases e em misturas asfálticas a frio (faixas C do DER-SP e B3 da

Ipiranga). A mistura com argila do tipo A7-6 foi indicada para combater a expansão do

rejeito nas camadas de base e sub-base. Neste estudo foram utilizadas emulsões de

Ruptura Lenta (RL-1C) e Ruptura Média (RM-1C). A mistura que utilizou a faixa C do

DER-SP apresentou maior estabilidade Marshall quando comparada com a mistura na

faixa B3 da Ipiranga.

COOMARASAMY e WALZAK (1995) investigaram a falência precoce de alguns

pavimentos, em Ontário, Canadá, que utilizaram a escória de aciaria. A avaliação

química e morfológica de diferentes escórias foi feita através de microscópios de

varredura eletrônica e difração de raio-X. Foram confeccionadas misturas asfálticas

com utilização de escórias de forno elétrico e de conversor de oxigênio. Os resultados

mostraram que o CaCO

foi o principal responsável pelo insucesso dos pavimentos

investigados. A presença deste composto provocou uma “colagem” das interfaces do

rejeito o que provoca a expansão do material e o conseqüente trincamento do

pavimento.

FARRAND e EMERY (1995) utilizaram a escória de aciaria como agregado em

misturas asfálticas em rodovias americanas. O desempenho dos pavimentos foi

considerado satisfatório, porém os autores recomendam o controle tanto da produção

do material (para evitar a alta heterogeneidade), quanto do potencial expansivo do

mesmo.

KANDHAL e HOFFMAN (1998) propuseram o uso da parcela fina (passando na

peneira de 4,8 mm) curada deste material para a produção de misturas asfálticas a

quente. Fizeram também uma correlação entre a expansão das parcelas fina e grossa

(retida na peneira de 4,8 mm) indicando o uso da parcela fina curada deste material.

Para obtenção desta conclusão realizaram ensaios de expansão e resistência à tração

retida por umidade induzida - Lottman (AASHTO T-283) com materiais de diferentes

fontes, a fim de verificar possíveis problemas ocasionados pelo inchamento e pela

umidade. As misturas asfálticas a quente contendo agregado miúdo de escória de

aciaria apresentaram estabilidade Marshall até 35,0% superior às das misturas

convencionais. Após este estudo, algumas recomendações sobre o agregado miúdo

de escória de aciaria foram incorporadas às normas do Departamento de Transportes

da Pensilvânia, tais como: apresentar qualidade e densidade uniformes, expansão não

superior a 0,5% (avaliada pelo método PTM 130), percentual retido da estabilidade

Marshall a 60ºC superior a 75,0% e expansão dos corpos de prova (cps), quando

imersos em água a 71ºC durante 48 horas, no máximo 1,0%. Os cps, quando

condicionados, não devem apresentar trincas ou destacamento de agregados.

KHAN e WAHHAB (1998) estudaram a aplicação de escória pura ou misturada com

agregados calcários para a realização de selagens com lama asfáltica na parte

Oriental da Arábia Saudita. Os autores concluíram que estes dois agregados quando

combinados apresentam melhor desempenho do que quando são utilizados separados

porque suas qualidades são complementares. A cal apresenta boa afinidade com o

betume e a escória apresenta alta resistência ao esmagamento e à abrasão. Misturas

asfálticas realizadas sem a mistura destes dos agregados acima citados não

apresentaram bom desempenho. As misturas que utilizaram apenas agregados

calcários apresentaram alta abrasão e aquelas que utilizaram apenas escória

apresentaram trincamento. Os melhores resultados foram obtidos com a mistura de

agregado calcário e escória de aciaria passando na peneira nº 30 (0,6 mm) com

15,0% de emulsão catiônica. Os autores ainda admitem a utilização deste tipo de

mistura com menores teores de emulsão (9,0% e 11,0%) para aplicações econômicas

em campo.

BAGAMPADDE et al. (1999) avaliaram oito tipos de misturas utilizando escória de

aciaria. As misturas utilizaram, além de agregado calcário e aditivos, este rejeito em

diferentes proporções e de diferentes formas (tanto como agregado graúdo como

miúdo). Verificaram que misturas com a parcela grossa da escória, agregados

calcários e CAP modificado com polímero demonstraram maior vida de fadiga (carga

dinâmica, tempo de ciclo 0,1s) e maior resistência à deformação permanente (creep

dinâmico). As misturas com o uso de cal e polímero apresentaram maior resistência à

umidade (maior Módulo de Resiliência - MR depois de condicionadas em contato com

água a 60ºC durante 35 minutos e após 24 horas). As misturas que utilizaram CAP

modificado com polímero ainda apresentaram menor susceptibilidade térmica. A

mistura que utilizou apenas escória de aciaria como agregado não se mostrou

adequada para ser utilizada no local da pesquisa, visto que a mesma apresentou a

maior deformação permanente (creep dinâmico) e faliu prematuramente não podendo

ser ensaiada para tensões acima de 689,5 kPa. Os autores atribuem este fato ao

caráter muito áspero dos grãos da escória, que leva a maiores tensões cisalhantes

nas misturas.

HUNT e BOYLE (2000) avaliaram a utilização de escória de aciaria em misturas

asfálticas usinadas a quente (faixa B do Departamento de Transportes de Oregon).

Para a realização deste estudo um pavimento foi construído, com utilização de 30,0%

deste rejeito como agregado na mistura do revestimento, e avaliado durante cinco

anos. O desempenho do pavimento foi considerado satisfatório visto que, neste

período, não apresentou trincamento ou diminuição da resistência à derrapagem. A

mistura com utilização de escória de aciaria elétrica apresentou maior estabilidade

devido à textura rugosa e ao formato angular dos grãos que conferem um maior

intertravamento.

LIMA et al. (2000) compararam dois pavimentos, sendo um com Concreto Betuminoso

Usinado a Quente (CBUQ) e outro com Tratamento Superficial Duplo (TSD),

construídos com utilização de escória de aciaria nas camadas de base e sub-base

com um terceiro que utilizou Brita Graduada Simples (BGS) e Brita Graduada Tratada

com Cimento (BGTC) nestas mesmas camadas. As avaliações estruturais foram feitas

através de retroanálise dos MRs in situ de todas as camadas do pavimento e do

subleito, utilizando o programa RETRAN5-L. Para tanto, foram realizadas avaliações

estruturais com a utilização da viga Benkelman. Os autores concluíram que

pavimentos delgados feitos com a utilização de escória de aciaria são equivalentes

aos espessos executados com agregados convencionais. Os módulos retroanalisados

das camadas executadas com escória de aciaria mostraram-se de 3 a 4 vezes

superiores ao da camada com BGS. Apesar da grande diferença entre as capacidades

estruturais (análise visual e levantamento deflectométrico) dos dois tipos de pavimento

(o convencional tinha aproximadamente o dobro da capacidade estrutural do

pavimento com TSD e camada de base e sub-base com escória de aciaria), as

deflexões máximas mostraram-se apenas 37,0% superiores para o pavimento com

escória. O pavimento experimental apresentou ainda melhor distribuição de carga por

apresentar maiores raios de curvatura.

ALVARENGA (2001) comparou as propriedades resilientes e o custo de pavimentos

que utlizaram escória de aciaria e agregado convencional (brita) em suas bases. O

autor determinou os MRs destes materiais e utilizou o programa FEPAVE2 para

dimensionar estes pavimentos. Concluiu que este rejeito pode ser usado como

material de base porque o mesmo possui comportamento tensão versus deformação

pouco dependente da umidade e da energia de compactação, além de ter um custo

bastante inferior ao da brita. Para este estudo, foi verificado que a utilização deste

rejeito é considerada recomendável para regiões no entorno da CSN, até 120 km de

transporte por meio rodoviário.

SILVA e MENDONÇA (2001a) apresentaram a dosagem Marshall de uma mistura

asfáltica do tipo CBUQ utilizando 97,0% de escória de aciaria com graduação menor

do que 12,5 mm, fíler calcário e CAP 20. A mistura foi enquadrada na faixa C do

DNER e a escória utilizada foi envelhecida durante mais de 3 anos, o que lhe conferiu

expansão (1,83%) abaixo do limite estabelecido pela norma do DNER (ME 262/94)

(3,0%)

ROHDE (2002) avaliou a utilização de Escória de aciaria elétrica com Granulometria

Corrigida (EGC), na faixa C do DNER, como material de base e sub-base em

pavimentos. O rejeito foi corrigido granulometricamente devido aos baixos valores de

ISC encontrados (abaixo de 100,0%) não condizentes com a bibliografia consultada

que indica ISC de até 300,0%. Após a correção, o rejeito apresentou melhorias na

trabalhabilidade e compactação. A autora encontrou para a EGC valores de ISC cerca

de duas vezes superiores ao da brita graduada. Investigou ainda o MR desse material,

que apresentou-se, para todos os níveis de tensões, superior aos de outros materiais,

como basalto, saibro e granito.

SILVA (2003a, 2003b) estudou o uso em camadas de sub-base, base, binder (faixa A

do DNER), capa (Faixa B do DNER), Pré Misturado a Quente (PMQ), camada de

vedação (faixa C do DNER) e microrevestimento (faixa III do DNER). Utilizou

diferentes graduações e proporções de escória nas diversas camadas do pavimento.

Estas proporções estão mostradas na Tabela 2.5.1. Além disto, o autor utilizou escória

de aciaria como agregado para produção do concreto utilizado para a construção de

valetas, meio fios e sarjetas do citado pavimento.

Tabela 2.5.1 - Proporções de escória utilizadas por SILVA (2003a)

Camada Sub-base Base Binder Capa Camada de Vedação PMQ Micro

% escória 70,0 87,0 76,2 75,6 66,3 98,6 88,0

PARENTE et al. (2003) compararam o uso de solo e escória de aciaria, para a

construção de bases e sub-bases, através do comportamento mecânico (ensaios

triaxiais cíclicos e ISC) de duas misturas (utilizando 70,0% e 50,0% de escória), com

misturas de solo-brita com a mesma granulometria (faixa D do DNER). As misturas em

teste apresentaram maiores valores de massa específica seca máxima e menores

valores de umidade ótima, quando comparadas às misturas de solo-brita. Quanto aos

valores de ISC, as misturas em teste apresentaram ISC três vezes superiores aos das

misturas solo-brita e duas vezes superiores ao do solo puro. Concluíram, também, que

os valores de MR, para qualquer nível de tensão, para as misturas solo-escória foram

superiores aos das misturas solo-brita e solo puro.

Existem algumas obras brasileiras onde foi utilizada escória de aciaria na

pavimentação. Entre elas: BR-393 (Volta Redonda-Três Rios), RJ-157 (Barra Mansa-

Divisa RJ/SP), RJ-141 (BR-393-Vargem Alegre), BR-116 (Volta Redonda-Divisa

RJ/SP), 13 km da rodovia que liga Volta Redonda e o distrito Nossa Senhora do

Amparo (Barra Mansa), várias ruas dos municípios de Volta Redonda, Resende, Barra

do Piraí, Itaguaí, Barra Mansa e Magé (RJ) e no município de Mogi das Cruzes (SP),

vias no interior da CST e revestimentos primários na região Sul Fluminense

(ALVARENGA, 2001).

2.6 - EXPANSIBILIDADE DA ESCÓRIA

Um dos maiores entraves quanto à utilização da escória de aciaria na construção

rodoviária é o seu potencial expansivo. Esta expansão pode chegar a 10,0%,

ocasionando erupções na pista, que podem atingir até 10 cm de altura (SILVA e

MENDONÇA, 2001a). A Figura 2.6.1 ilustra pavimentos com utilização de escória não

curada.

A identificação destes defeitos nas pistas pode ser prevista através da observação da

formação de trincas radiais de tamanho reduzido e do estufamento do revestimento. A

formação de defeitos no pavimento ocasionados pela expansão pode ocorrer tanto

quando a escória é utilizada em base e/ou sub-base, ou como agregado em

revestimentos asfálticos. Neste segundo caso, apesar de inicialmente o ligante

impermeabilizar os grãos da escória, com o desgaste, ocorre o contato entre a escória

e a água provocando reações de hidratação e, conseqüentemente, a expansão do

material (KANDHAL e HOFFMAN, 1998; SILVA, 2002).

(a) Erupções na pista (b) Pavimento trincado

Figura 2.6.1 - Pavimento com utilização de escória não curada (SILVA, 2002)

Alguns autores citam que o aumento do conteúdo da cal (Ca(OH)

) nas escórias está

diretamente relacionado com o aumento da expansibilidade das mesmas, assim como

o aumento da temperatura e da quantidade de espécies no estado livre (ROHDE,

2002). Já existem países que limitam o teor de cal nas escórias para que as mesmas

possam ser utilizadas em camadas granulares, entre 4,0% e 7,0% (GEYER, 2001).

Uma forma de minimizar estes efeitos danosos causados pela cal é utilizá-la com o

menor tamanho de grão possível para que a mesma sofra completa dissolução.

A hidratação dos CaO e MgO livres é a principal responsável pela expansão da

escória no curto e longo prazos, respectivamente (KANDHAL e HOFFMAN, 1998).

SILVA et al. (2003) concluíram, após 15 anos de estudo, que a cinética da reação de

hidratação do MgO é muito lenta. O grau de instabilidade destes compostos depende

do tamanho dos cristais. Os cristais pequenos hidratam-se rapidamente, enquanto

cristais grandes são formados por um processo de resfriamento lento. A cal livre

quando hidratada forma o Ca(OH)

, de acordo com a reação indicada na Equação

2.6.1. O MgO quando reage com a água forma o hidróxido de magnésio ou brucita

(Mg(OH)

) (Equação 2.6.2). Além das reações de hidratação, a reação de

carbonatação (Equação 2.6.3) também é responsável pela expansão do material.

CaO + H

→

Ca(OH)

(2.6.1)

MgO + H

→

Mg(OH)

(2.6.2)

CaO + CO

+ H

→

CaH

(2.6.3)

Além disto, a expansão da escória deve-se, em menor escala, à:

• Corrosão do ferro metálico (Fe

): a causa deste processo é a diferença de volume

molar dos produtos de oxidação e corrosão. Os produtos formados neste

processo estão mostrados na Tabela 2.6.1;

• Mudanças nas formas alotrópicas do 2CaO-SiO

de β (larnita) para γ (calco-

olivina). Esta transferência instável ocorre durante o resfriamento lento da escória

a, aproximadamente, 725ºC, gerando uma alta expansão volumétrica (da ordem

de 11,0%) causando o fenômeno do esfarelamento.

Tabela 2.6.1 - Produtos formados na oxidação e corrosão do ferro (MACHADO, 2000)

Reações Formação Produto

+ ½ O

FeO

Wüstita

2 Fe

+ 3/2 O

Hematita

Oxidação

3 Fe

+ 2 O

Magnetita

+ 2OH Fe(OH)

Hidróxido Ferroso

Corrosão

4 Fe(OH)

+ O

+ 2H

O 4 Fe(OH)

Hidróxido Férrico

A hidratação das espécies químicas presentes na escória causa uma grande variação

no volume das mesmas. Os compostos, bem como a variação do volume dos

mesmos, estão na Tabela 2.6.2.

Tabela 2.6.2 - Variação de volume dos compostos após a hidratação (WEAST, 1971

apud MACHADO, 2000)

Fórmula Nome Densidade Variação de Volume(%)

Em relação ao MgO

Mg(OH)

Brucita 2,36 119,5

Em relação ao CaO

Ca(OH)

Portlandita 2,24 99,4

Calcita 2,93 105,9

CaCO

Aragonita 2,71 122,6

CaCO

. MgCO

Dolomita 2,87 287,3

Em relação ao Fe

FeO Wustita 5,70 77,4

Hematita 5,24 328,7

Fe(OH)

Hidróxido 3,40 271,7

FeO(OH) Goetita 4,28 192,0

Weast, R.C. HandBook of chemistry and physics. 52 ed. Cleveland, 1971.

Para que o fenômeno indesejável de expansão das escórias não ocorra, faz-se uma

pré-hidratação do material denominada cura, que pode ser realizada a céu aberto

submetendo-se o material ao contato com a água. Este processo tem duração média

de três meses a um ano, a depender da composição química da escória (MACHADO,

2000).

Uma forma de diminuir a expansão da escória de aciaria é armazená-la em pequenas

pilhas e com altura reduzida (de 1,5 a 2,0 metros). LIMA et al. (2000) sugerem no

máximo 10.000 toneladas de material por pilha e que as mesmas não sejam muito

altas para evitar que alguma parte do material não seja curada. Estas medidas devem

ser tomadas para que o processo expansivo ocorra o mais rápido possível.

Outra forma de minimizar os prejuízos causados pela expansão deste material, para o

uso em camadas de reforço do subleito, base e sub-base, é misturá-lo com outro

material capaz de absorver esta expansão, como argila, por exemplo (SILVA, 1991).

Este processo é apenas físico, nenhuma reação química ocorre entre a escória e o

material utilizado na mistura. Geralmente usa-se um material mais fino do que a

escória para diminuir a permeabilidade e também o contato escória-água. Deve-se

atentar também para a qualidade do material utilizado. Para o caso da argila, a mesma

deve ser laterítica não possuindo caráter expansivo. SILVA (1994) utilizou várias

amostras de escória adquiridas na Companhia Siderúrgica Tubarão (CST), em

substituição aos agregados convencionais, misturadas com argila da região, para a

construção das camadas de sub-base e base. Essa escória foi usada sem nenhuma

espécie de cura, utilizando tal argila para combater a expansão. A maior expansão

encontrada para as misturas que utilizaram estas misturas foi de 0,5%.

GEYER (2001) cita ainda que é possível obter-se uma cura acelerada deste rejeito. A

escória é submetida a um spray de água quente e em seguida à injeção de vapor ou

passagem através de zona de vapor. Com o uso destas técnicas é possível reduzir o

tempo de cura das escórias para vinte dias. Existe ainda o resfriamento brusco onde a

mesma é fragmentada por um jato d’água e resfriada em um tanque com água. Deve-

se atentar, porém para a presença de MgO que possui um alto potencial expansivo e

neutraliza somente a longo prazo.

São métodos de avaliação da expansibilidade das escórias (MACHADO, 2000):

• Norma japonesa JIS A 5015/92: avalia a expansão em cps que, depois de

imersos em água, são aquecidos a 80ºC em ciclos de 6 horas diárias. Esta norma

recomenda uma expansão máxima de 2,5% aos dez dias para que o pavimento

não sofra perda de resistência, para misturas asfálticas do tipo CBUQ. Fixa ainda

outras condições, tais como: massa específica (em torno de 2,45 kg/dm

absorção de água (< 3,0%) e abrasão (< 30,0%);

• ASTM D 4792/95: potencial de expansão dos agregados com reações de

hidratação. Analisa a expansão de cps a partir do aumento vertical dos mesmos,

depois de imersos em água a 71 ± 2ºC;

• ASTM 1260/94 e NBR 11582/91: métodos adaptados da avaliação da expansão

em concretos. O primeiro é a avaliação do potencial da reatividade álcali-

agregado e o segundo é a determinação da expansibilidade nas agulhas de Le

Chatelier em cps de argamassa de cimento Portland e água;

• Método das Barras: adaptado do método do National Building Research Institute

(NBRI). Moldam-se barras (NBR 9773) de argamassa que após 24 horas são

desmoldadas e medidas. Posteriormente, estes cps são condicionados em água a

80ºC. Durante doze dias são realizadas leituras. Ao final do ensaio a expansão

deve ser inferior a 0,11% (MASUERO et al., 2000);

• Ensaio de Autoclave: consiste em colocar cps de pasta de cimento (após 24

horas) em autoclave durante 3 horas com pressão de 2 MPa. Posteriormente as

amostras são condicionadas a 23ºC durante 15 minutos. São realizadas leituras

antes e após o condicionamento descrito acima (MASUERO et al., 2000).

Este trabalho utilizará o método do Departamento de Transportes da Pensilvânia (PTM

130/78) por ter sido adaptado pelo DMA-1/DER-MG/82 (Departamento de Rodagem

de Minas Gerais) de acordo com o DNER-DPT 49/64 (MACHADO, 2000). Este método

é também o utilizado para estabelecimento do limite de expansão pelo DNER (ME –

262/94). O método é assim descrito (KANDHAL e HOFFMAN, 1998):

• Preparar a amostra, seca ao ar, passando-a na peneira de 50,8 mm (2”),

desprezando a fração retida nesta citada peneira;

• Determinar a umidade ótima através do ensaio de compactação (DNER - ME

049/94);

• Compactar a amostra no molde ISC (diâmetro de 152 mm). A compactação é

realizada na umidade ótima, em três camadas e com energia modificada (56

golpes por camada);

• Submergir a amostra em água (colocando o conjunto molde + cp dentro de um

tambor com água) e colocar a mesma em estufa a 71 ± 3ºC;

• Realizar uma leitura inicial após 2 horas da amostra na estufa;

• Medir a expansão vertical durante sete dias, realizando uma leitura por dia;

• Retirar o cp da condição submersa e mantê-lo na condição saturada

(adicionando-se água ao molde) por mais sete dias, realizando uma leitura diária;

• Calcular a porcentagem total de expansão volumétrica através da seguinte

relação:

amostra

inicial14dias

leituraleitura

=talExpansãoTo

(2.6.4)

Onde: leitura

14dias

= leitura do extensômetro após quatorze dias de ensaio;

leitura

inicial

= leitura realizada após duas horas de colocação da amostra na

estufa;

amostra

= altura inicial da amostra.

• A taxa de expansão é ilustrada pelo gráfico da Figura 2.6.2:

Figura 2.6.2 - Exemplo de taxa de expansão do ensaio PTM 130/78

MACHADO (2000) comparou alguns métodos para avaliação do potencial expansivo

das escórias de aciaria, dentre eles: ASTM 1260/94, JIS A 5015/92, ASTM D 4792/95

e DNER ME 228/89 e M 192/89. Em seu estudo concluiu que o método das barras

prismáticas (ASTM 1260/94) possui um tempo de execução em torno da metade ou

um terço dos tempos gastos nos outros citados ensaios. Este método ainda

apresentou algumas vantagens em relação aos demais, tais como: não necessitar da

obtenção da umidade ótima através do ensaio de compactação, poder ser realizado

com pequenas quantidades de material e não utilizar aparelhos exclusivos para

realização do mesmo o que facilita o procedimento.

2.7 - OCORRÊNCIA DE TUFO

O tufo é a precipitação do CaCO

, após a solubilização do CaO presente na escória,

em água, seguida da carbonatação (MACHADO, 2000). Quando este processo ocorre

em rodovias que utilizaram escória de aciaria na construção de suas bases e/ou sub-

bases, as mesmas têm os seus sistemas de drenagem prejudicados devido ao

entupimento dos mesmos.

Ocorrem basicamente duas reações químicas: entre o CaO e a água das chuvas

formando o Ca(OH)

(reação descrita pela Equação 2.6.1) e entre o CO

e a água das

chuvas formando o ácido carbônico (H

), que por sua vez reage com o Ca(OH)

forma o bicarbonato de cálcio, Ca(HCO

)

(Equações 2.7.1 e 2.7.2). A água contendo

o Ca(HCO

)

evapora com o aumento da temperatura e libera o CO

e provoca a

precipitação do CaCO

(Equação 2.7.3). Alguns outros fatores aceleram este

processo, como: reatividade da escória com a água, área superficial, porosidade,

quantidade de água a que a escória está exposta e teor de CO

(MACHADO, 2000).

+ H

→

(2.7.1)

+ Ca(OH)

→

Ca(HCO

)

+ 2H

O (2.7.2)

Ca(HCO

)

→ CaCO

↓ + H

O↑ + CO

↑

(2.7.3)

CAPÍTULO 3

3 OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS

3.1 - OBTENÇÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA

Para o presente estudo, a escória de aciaria foi obtida na Sobremetal Recuperação de

Metais Ltda., localizada no município de Maracanaú, nas dependências da Gerdau

Cearense S.A. Este material encontrava-se a céu aberto, o que certamente provocou

uma pré-expansão da escória antes mesmo de ser adquirida pelo LMP/DET/UFC.

Nenhum procedimento normatizado de amostragem foi realizado neste estudo. As

amostras apenas foram retiradas de locais diferentes da pilha, onde a mesma estava

estocada, para garantir a representatividade do material (Figura 3.1.1). A primeira

amostra (70 kg) foi coletada em Outubro de 2002, a segunda (150 kg) em Janeiro de

2003 e a terceira em Outubro de 2003 (500 kg). O material coletado destinou-se a este

estudo e a ao estudo de Parente

et al. (2003).

Figura 3.1.1 - Coleta da escória na Sobremetal Recuperação de Metais Ltda.

A escória foi estocada a céu aberto, nas dependências do LMP/DET/UFC, para

propiciar a cura do rejeito. O material foi disposto sobre uma lona impermeável para

evitar a perda de finos. Depois de colocado sobre a lona, o rejeito foi misturado para

garantir a homogeneização do material (Figura 3.1.2). Esse procedimento foi repetido

a cada coleta de escória realizada.

(a) Lona para dispor o material (b) Disposição do material

Figura 3.1.2 - Etapas do armazenamento e homogeneização da escória no

LMP/DET/UFC

3.2 - CARACTERIZAÇÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA

A caracterização da escória de aciaria foi realizada por meio dos ensaios exigidos pela

norma DNER – EM 262/94 (Escórias de aciaria para pavimentos rodoviários) conforme

mencionado no Capítulo 2. Outros ensaios considerados importantes foram realizados.

A caracterização deste rejeito seguiu o fluxograma da Figura 3.2.1.

A avaliação da cura do rejeito foi realizada com a primeira amostra de escória de

aciaria coletada. O material foi empilhado e disposto a céu aberto durante

aproximadamente três meses. O rejeito foi colocado em bandejas, para evitar a perda

de finos, e submetido às intempéries (sol e chuva). Além disso, era constantemente

regado para hidratação dos compostos responsáveis pelo processo expansivo.

Figura 3.2.1 - Fluxograma dos ensaios para caracterização da escória de aciaria

Com relação ao material recolhido, as amostras de escória de aciaria foram

misturadas e homogeneizadas para permitir a representatividade do material. A

tendência dos grãos maiores é se localizarem na periferia das pilhas de material

(DNER, 1996). O quarteamento da amostra foi realizado manualmente. O montante de

escória foi colocado em um monte em forma de tronco de cone e dividido em quatro

partes iguais. A partir daí, as duas partes opostas foram misturadas. Esta operação foi

repetida algumas vezes até que a amostra ficasse visivelmente homogênea.

A análise química quantitativa foi realizada pelo Departamento de Engenharia Química

da UFC, tendo apresentado os resultados contidos na Tabela 3.2.1 para as duas

amostras de escória, onde C = Concentração e DP = Desvio Padrão.

As amostras de escória sofreram primeiramente uma digestão, ou “abertura”, um

processo no qual a escória é misturada com ácido clorídrico, ácido anídrico e peróxido

e colocada em um forno de microondas. Esse processo de digestão é realizado para

que os elementos que não serão analisados sejam dissolvidos e, conseqüentemente,

eliminados da caracterização. A primeira amostra utilizada pesava 0,0509 g, enquanto

que a segunda pesava 0,0501 g. Após a digestão, as amostras foram dissolvidas em

30 ml de água bidestilada e feita a análise química quantitativa dos elementos

presentes no material.

Escória de Aciaria

Química

Física Expansibilidade

Análise química quantitativa

Análise química

MVE

Difração de raio-X

Granulometria

Los Angeles

Absorção

Durabilidade

Massa específica

EA / Impurezas orgânicas

Índice de forma

Método PTM 130

Adesividade

Ambiental

Lixiviação

Solubilização

Tabela 3.2.1 - Análise química quantitativa da amostra de escória

Amostra 1 Amostra 2

Elemento

C (g/100 g) DP (g/100 g) C (g/100 g) DP (g/100 g)

Fe 13,26 0,0707 14,97 0,1078

Si 9,84 0,1120 12,51 0,2455

Ca 6,60 0,0472 8,80 0,1138

Mn 2,38 0,0165 2,70 0,0293

Mg 1,50 0,0147 2,39 0,0323

Al 1,33 0,0000 2,31 0,0443

A análise química qualitativa foi realizada no Microscópio de Varredura Eletrônica

(MVE) do Departamento de Engenharia Mecânica da UFC com uma amostra (décimos

de grama) de escória de aciaria passada na peneira de nº 200. A amostra foi

desidratada e posteriormente sofreu um recobrimento com carbono (para tornar o

material condutor). Os resultados estão apresentados nas Figuras 3.2.2 e 3.2.3, onde

é possível perceber, respectivamente, os elementos existentes nesta amostra

(carbono, oxigênio, magnésio, alumínio, silício, cálcio e ferro), bem como a forma e a

textura dos grãos. As constantes Ka e Kb que aparecem na Figura 3.2.2 são

referentes aos diferentes níveis de radiação dos elementos. Foi ainda realizada uma

análise semi-quantitativa (devido a imprecisão do equipamento para este tipo de

análise) dos elementos presentes na escória apresentada na Tabela 3.2.2. Percebem-

se os altos teores de carbono e oxigênio. Através das fotos, verifica-se que os grãos

da escória de aciaria possuem tamanhos variados, desde tamanhos menores do que

µm até maiores do que 500 µm.

Verifica-se que em relação aos elementos manganês e cálcio os resultados das

análises químicas semi-quantitativa (MVE) e quantitativa apresentaram-se bem

próximos. Provavelmente, as diferenças encontradas, em relação aos outros

elementos, são devidas ao fato de que a análise feita pelo MVE é somente uma

aproximação. Percebe-se que para a primeira análise química, apenas alguns

elementos foram detectados, pois a soma da quantidade dos mesmos é diferente de

100 g. Os elementos carbono e oxigênio, principais na análise semi-quantitativa, feita

pelo MVE, não está presente na análise quantitativa.

Figura 3.2.2 - Picos dos elementos existentes na escória, obtidos com a utilização do

Microscópio de Varredura Eletrônica

(a) (b) (c)

Figura 3.2.3 - Fotos dos grãos da escória, escalas variadas (a) 50

µm, (b) 100 µm e (c)

500

µm

Tabela 3.2.2 - Análise química semi-quantitativa da amostra de escória realizada com

utilização do Microscópio de Varredura Eletrônica (MVE)

Elemento C O Fe Ca Si Al Mg

% em massa 51,77 23,14 9,48 6,53 5,50 2,02 1,56

A difração de raio-X foi realizada pelo Departamento de Física da UFC, em um

difratômetro de raio-X convencional (modelo DMAXB operado numa potência de 40

kV/25mA) a 23ºC. Este ensaio tem como intuito identificar a composição mineralógica

da escória de aciaria. A difração é o efeito da interferência entre ondas que reforça as

intensidades dos picos. As partículas são formadas por estruturas cristalinas com

padrões de difrações diferentes e característicos de cada fase. O feixe de raios-X é

incidido em ângulos variáveis na amostra de policristal (em forma de pó e com arranjo

atômico ou molecular com estrutura que se repete de forma periódica e tridimensional)

(BLEICHER e SASAKI, 2000).

Como resultado, este ensaio fornece o difratograma, que é um gráfico do ângulo de

espalhamento (2

θ) versus intensidade dos picos de incidência. Este ângulo é aquele

formado entre a onda incidente e a onda espalhada. Percebe-se que para um mesmo

composto existem vários picos, com várias intensidades, porque o mesmo é formado

por vários planos. Um exemplo de difratograma, para a amostra de escória de aciaria,

é mostrado na Figura 3.2.4. Os resultados são encontrados a partir da comparação

com padrões de difração já conhecidos.

Position [°2Theta]

10 20 30 40 50 60 70

Counts

400

1600

3600

a00304.CAF

Figura 3.2.4 - Exemplo de difratograma da escória utilizada

Para a amostra de aciaria ensaiada (décimos de grama passando na peneira nº 200)

foram encontrados cerca de 340 compostos diferentes, sendo o carbonato de cálcio

(CaCO

) e o óxido de silício (SiO

) encontrados em maior quantidade. Alguns

compostos encontrados são formados por metais, como prata, níquel, mercúrio e

zinco. A não existência dos compostos responsáveis pela expansão do material é um

indicativo de que a escória foi realmente curada.

O ensaio de durabilidade seguiu a norma DNER – ME 089/94 (Agregados – Avaliação

da durabilidade pelo emprego de soluções de sulfato de sódio ou magnésio). A

amostra de escória foi imersa em uma solução de sulfato de sódio (NaSO

) durante 16

horas, aproximadamente. Depois, a amostra foi drenada e seca em estufa (110ºC).

Este processo foi repetido cinco vezes (ciclos), em temperatura constante (20ºC). A

perda de massa, definida como a porcentagem em peso de cada fração da amostra

que após o ensaio passou na peneira na qual originalmente era retida, foi de 4,7%.

A avaliação da adesividade ao ligante seguiu a norma DNER – ME 078/94 (Agregado

graúdo – adesividade a ligante betuminoso). Este ensaio verifica a adesividade entre a

película de ligante e os grãos do agregado graúdo, depois que os mesmos são

submetidos ao contato com a umidade (submersão em água destilada a 40ºC, por 72

horas). O ensaio é dito satisfatório quando não há deslocamento da película de asfalto

e não satisfatório quando há. Para o caso de haver deslocamento da película de

ligante pode-se utilizar melhoradores de adesividade como: cimento Portland, cal

hidratada ou aditivos químicos líquidos. Estes aditivos fazem com que haja maior

recobrimento do agregado pelo ligante, diminuindo a tensão superficial entre o ligante

e o agregado (BERNUCCI

et al., 1999).

Como houve o deslocamento da película de asfalto com o uso apenas do CAP 50/60

de origem Fazenda Alegre, optou-se por utilizar um aditivo químico líquido, o CAP-

DOP, da BR Distribuidora. Primeiramente executou-se o ensaio com 0,5% de DOPE e

obteve-se novamente o deslocamento da película. Executou-se então com 1,0% de

DOPE, não sendo verificado o deslocamento da película e a adesividade considerada

satisfatória.

Este ensaio vem sendo questionado no meio técnico devido à sua subjetividade.

Trata-se de uma avaliação visual fornecida pelo executor do ensaio. Alguns autores

preferem utilizar a metodologia AASHTO T – 283 (Resistência à tração retida por

umidade induzida) (BERNUCCI

et al., 1999). Neste estudo este método também foi

empregado e os resultados serão discutidos no Capítulo 5 (Caracterização Mecânica).

A granulometria do rejeito foi avaliada através da norma DNER – ME 083/98

(Agregados – análise granulométrica). Após a homogeneização das duas primeiras

amostras de escória coletadas, o material foi separado em quatro sacos plásticos de

50 kg. Foram realizados dois ensaios para cada porção de material, totalizando,

assim, oito ensaios. Na Figura 3.2.5 é possível verificar que as distribuições

granulométricas das amostras são bem semelhantes, o que garante a homogeneidade

do material, pelo menos no que diz respeito a este parâmetro. As médias dos

resultados estão mostradas na Tabela 3.2.3 em peso retido e em porcentagem

passando, respectivamente.

100

0,01 0,1 1 10 100

abertura das peneiras (mm)

% passando

Figura 3.2.5 - Granulometrias das amostras de escória

Tabela 3.2.3 - Ensaio de granulometria, em peso retido e porcentagem passando da

escória

Porção 1 Porção 2 Porção 3 Porção 4 Média Peneira

(mm)

(g) (%) (g) (%) (g) (%) (g) (%) (g) (%)

25,4 - 100,0 - 100,0 - 100,0 - 100,0 - 100,0

19,1 305,5 84,7 285,7 85,7 269,0 86,5 243,2 87,8 275,9 86,2

12,7 573,3 56,6 591,5 56,1 592,4 56,9 530,3 61,3 571,9 57,7

9,5 189,3 46,6 233,1 44,3 219,9 45,8 199,7 51,2 210,5 47,0

4,8 364,7 28,3 357,0 26,4 406,0 25,5 345,2 33,9 368,2 28,5

2,0 340,5 11,3 273,3 12,8 288,9 11,0 371,6 15,3 318,6 12,6

0,42 148,2 3,8 164,2 4,5 144,3 3,7 207,1 4,9 166,0 4,2

0,18 31,5 2,3 44,2 2,3 33,5 2,1 44,1 2,7 38,3 2,6

0,074 23,3 1,1 29,4 0,8 24,9 0,8 29,6 1,2 26,8 1,0

< 0,074 18,5 - 16,7 - 18,6 - 19,8 - 18,4 -

O ensaio de abrasão foi feito segundo a norma DNER – ME 035/98 (Agregados –

determinação da abrasão

Los Angeles). As graduações para este ensaio, segundo a

norma citada, estão na Tabela 3.2.4. Foram realizados dois ensaios: para as

graduações B e C (1º ensaio), e para as graduações B, C e D (2º ensaio). Apesar de

ter sido realizado um ensaio para a graduação D, as graduações B e C apresentam

granulometrias mais próximas da obtida para a escória deste estudo (conforme

discutido acima). A massa total foi de 5.000 g

± 10 g para as três graduações e foram

realizadas 500 rotações do tambor. A carga abrasiva foi de 4.584 g

± 25 g, 3.330 g ±

20 g e 2.500 g ± 15 g para as graduações B, C e D, respectivamente. Os resultados

estão contidos na Tabela 3.2.5.

Tabela 3.2.4 - Graduação para o ensaio

Los Angeles da norma ME 035 (1998)

Peneiras (mm) Amostra – massa parcial (gramas)

Passando Retido Grad. B Grad. C Grad. D

38,1 25,4

1.250

± 25

- -

25,4 19,1

1.250

± 25

- -

19,1 12,7

1.250

± 25 2.500 ± 10

12,7 9,5

1.250

± 25 2.500 ± 10

9,5 6,3 - -

2.500

± 10

6,3 4,8 - -

2.500

± 10

4,8 2,0 - - -

Tabela 3.2.5 - Resultado do ensaio de abrasão

Los Angeles da escória

Faixa Nº de esferas Abrasão Los Angeles (%)

11 34

11 37

C1 8 36

C2 8 38

D2 6 73

* 1 referente ao 1º ensaio e 2 referente ao 2º ensaio

Os resultados encontrados para este ensaio são todos superiores ao limite

estabelecido pelo DNER para o uso da escória de aciaria em pavimentação (25,0%).

Porém na literatura estudada foram encontrados valores de até 44,0% para perda de

peso por abrasão

Los Angeles (ROHDE, 2002). Para agregados tradicionais o

Departamento de Edificações Rodovias e Transportes (DERT, CE) estabelece um

limite de até 55,0% (DERT, 1994) e o próprio DNER estabelece um limite de 40,0%

para agregados graúdos, inclusive escórias (DNER – ES 313/97).

Avaliou-se a absorção e a densidade dos agregados de escória através das normas

DNER – ME 081/98 (Agregados – determinação da absorção e da densidade de

agregado graúdo) e ASTM C 127/88 (

Standard test method for specific gravity and

absorption of coarse aggregate

). Foram realizados três ensaios e a média dos valores

encontrados foi de 3,30 para a densidade real da escória graúda; 2,92 para a

densidade aparente da escória graúda e 4,5% para a absorção d’água. Os valores

encontrados para as três amostras ensaiadas, bem como as médias, estão mostrados

na Tabela 3.2.6. Nota-se que o valor encontrado para a absorção d’água da escória

utilizada neste estudo foi muito elevado, sendo superior ao estabelecido pela norma

DNER – ME 262/94. A densidade real da escória miúda (passando na peneira nº 4)

também foi determinada (DNER – ME 084/95). O valor encontrado (média de três

determinações) foi de 3,51.

Tabela 3.2.6 -

Densidades e absorção da escória de aciaria graúda

Parâmetro Valores

Peso da Amostra Seca (g) 947,90 961,80 972,70

Peso da Amostra Saturada (g) 1.001,60 1.002,30 1.007,00

Peso da Amostra Imersa (g) 660,70 670,20 677,50

Densidade Real 3,30 3,30 3,30

Densidade Aparente 2,78 2,90 2,95

Absorção (%) 5,67 4,21 3,53

Média Densidade Real 3,30

Média Densidade Aparente 2,88

Média Absorção (%) 4,47

O ensaio de Equivalente de Areia (EA) realizado segundo o método DNER – ME

054/94 confirmou que a escória de aciaria deste estudo não apresenta material

argiloso. Seu EA é de 100,0%. Com relação às impurezas orgânicas, devido a não

existência de norma brasileira específica para realização deste ensaio em escórias de

aciaria, utilizou-se o método DNER – ME 055/95 para areias. A amostra de escória de

aciaria passando na peneira nº 10 foi ensaiada. O material estudado apresentou-se

livre de impurezas orgânicas como pode ser visto na Figura 3.2.6. A amostra com

escória e solução de hidróxido de sódio, depois de 24 horas de observação,

apresentou-se mais clara do que a solução padrão.

Figura 3.2.6 - Comparação entre as amostras de escória de aciaria e padrão

O ensaio de índice de forma foi realizado segundo os procedimentos da norma DNER

ME 086/94. A escória utilizada neste estudo se enquadrou na graduação C e a média

das três amostras ensaiadas foi de 0,29 (indicando que a escória possui formato

cúbico). Este valor está bem abaixo do encontrado na literatura para este tipo de

agregado. SILVA

et al. (2002) encontraram 0,74. A norma DNER – ES 313 (1997)

estabelece um limite de 0,50 para agregados graúdos. Porém, a norma DNER – ME

262 (1994) não estabelece limites para este índice.

Os ensaios de lixiviação (separação de certas substâncias contidas nos resíduos

industriais por meio de lavagem ou percolação) e solubilização (realização de análise

química de amostra representativa do resíduo, depois de dissolvido em água

deionizada ou destilada e filtrado) não foram realizados pela autora, devido à

impossibilidade de realização dos mesmos no Ceará. A Gerdau Cearense S.A.

realiza, a cada seis meses (no laboratório TASQA localizado em Paulínia no estado de

São Paulo), a avaliação do rejeito em relação ao seu potencial contaminante. O último

relatório recebido em 2003 classifica o material como classe II, isto é, não inerte

devendo ser acondicionado de maneira especial (ADERALDO, 2003).

O ensaio de expansibilidade foi realizado segundo o método PTM 130/78 (Método de

ensaio para avaliação do potencial de expansão de escória de aciaria), adaptado pelo

DER-MG. Este estudo utilizou os resultados obtidos por Parente

et al. (2003). Antes da

realização do ensaio de expansibilidade, a amostra de escória de aciaria foi

compactada, segundo os procedimentos da norma DNER – ME 049/94 (Solos –

determinação do Índice de Suporte Califórnia utilizando amostras não trabalhadas),

para a obtenção da umidade ótima de compactação. O peso do soquete utilizado na

compactação foi de 4,50 kg e a altura de queda foi igual a 45,7 cm. A amostra de

6.000 g foi obtida com material dividido da seguinte forma:

Solução

Padrão

Amostra com

Escória

• 1.000 g de material retido entre as peneiras com aberturas de 4,8 mm e 2,0 mm;

• 1.000 g de material retido entre as peneiras com aberturas de 2,0 mm e 0,42 mm;

• 1.000 g de material retido entre as peneiras com aberturas de 0,42 mm e 0,18 mm;

• 1.000 g de material passando na peneira com abertura de 0,18 mm;

• 2.000 g de material não fracionado, isto é, no estado bruto.

Esta divisão foi efetuada para que o cp apresentasse coesão, visto que com o material

no estado original (sem fracionamento) não foi possível moldar os cps. Foi passada

vaselina na parte interna do molde e um papel filtro circular foi colocado na base

inferior do mesmo. Os cps foram compactados em três camadas, com a energia

modificada (56 golpes). O material foi seco em estufa e adicionou-se água nas

seguintes proporções: 3,0%; 2,0%; 2,0%; 2,0% e 2,0%, em relação a massa total de

escória (6.000 g). Para cada proporção de água adicionada foi moldado um cp, o

conjunto molde + amostra foi pesado após a compactação. Uma amostra do material,

restante da moldagem, foi retirada, pesada e colocada em estufa, a 100ºC, por

aproximadamente 3 horas. Depois de seca, a amostra foi novamente pesada para

obtenção do peso seco da amostra e, posteriormente, da umidade.

Algumas tentativas foram realizadas para a obtenção da curva de compactação.

Curvas com formatos não característicos foram encontradas (Figura 3.2.7). Outros

autores já haviam se deparado com este problema para materiais com Limite de

Liquidez (LL) fora do intervalo entre 30,0% e 70,0% (LEE e SUEDKAMP, 1972

apud

ROHDE, 2002 e ROHDE, 2002). A escória utilizada neste estudo apresentou-se não

plástica e não líquida (DNER - ME 082/94 e 122/94).

Lee, P. Y. e R.J. Suedkamp. Characteristics of Irregularly Shaped Compaction Curves of Soils. Highway

Research Record, Washington, D.C., n.381, p. 1-9, 1972.

2400

2450

2500

2550

2600

2650

2700

2750

2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0

Umidade (%)

Massa Específica Aparente Seca

(g/cm

)

Tentativa 1

Tentativa 2

Figura 3.2.7 - Tentativas para obtenção da curva de compactação da escória

Para que a curva de compactação desta amostra de escória de aciaria apresentasse

formato característico, os valores obtidos na terceira tentativa foram interpolados. A

curva manipulada ficou com um ramo ascendente, outro descendente e um pico bem

definido (Figura 3.2.8). A umidade ótima de compactação é aquela correspondente a

maior massa específica seca.

2,44

2,45

2,46

2,47

2,48

2,49

2,50

2,51

2,52

3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0

Umidade (%)

Massa Específica Aparente Seca (g/cm

)

Figura 3.2.8 - Determinação da umidade ótima da escória na energia modificada, com

a curva interpolada a partir dos resultados da terceira tentativa

Com a determinação da massa específica aparente seca máxima (2,52 g/cm

) e da

umidade ótima (6,4%), moldou-se um cp para o ensaio de expansibilidade segundo o

Umidade

Ótima

Massa

Específica

Aparente Seca

método PTM 130/78. O conjunto, cp, tambor com água para submersão do cp e

extensômetro, foi colocado na estufa, a 71ºC, no dia 29/04/2003. As etapas deste

processo podem ser visualizadas na Figura 3.2.9.

(a) Compactação do cp (b) Cp + Molde

Figura 3.2.9 - Etapas para realização do ensaio de expansão da escória pelo método

PTM 130/78

A leitura inicial foi realizada após duas horas. As outras leituras foram realizadas

durante quatorze dias, no mesmo horário, para avaliação do potencial expansivo da

escória de aciaria. Estas leituras, em milímetros, estão contidas na Tabela 3.2.7, bem

como o percentual de expansão e a expansão diária. O gráfico, percentual de

expansão diária e expansão acumulada versus tempo de cura (dias), está na Figura

3.2.10. A expansão diária é dada pela Equação (3.2.1) e a expansão total é dada pela

Equação (2.6.4), item 2.6, do Capítulo 2.

amostra

inicial.ext

leituraleitura

=DiáriaExpansão

(3.2.1)

Onde: leitura

ext.

= leitura do extensômetro no dia desejado;

leitura

inicial

= leitura realizada após duas horas de colocação da amostra na

estufa;

amostra

= altura inicial da amostra.

Durante os sete primeiros dias, a amostra foi mantida na condição submersa, para o

período compreendido entre o 8º e 14º dia a amostra foi mantida na condição saturada

(adicionando-se dois litros de água por dia ao molde). Esta mudança é feita para

avaliar a diferença entre os potenciais expansivos nas duas condições. A expansão

volumétrica total é aquela obtida após quatorze dias de ensaio. Nesta amostra foi de

0,61%. A altura da amostra utilizada neste ensaio foi de 115,5 mm. A norma ASTM D

2940/1992 estabelece um limite máximo de expansão aos sete dias no valor de 0,5%

(ROHDE, 2002). Para o material utilizado neste estudo, este valor não foi

ultrapassado, visto que nesta data a expansão foi de 0,34%.

Tabela 3.2.7 - Expansão da escória até o 14º dia do ensaio PTM 130/78

Condição Dia Data Leitura (mm) Expansão Diária (%) % Expansão Acumulada

0 29/04 0 0 0

1º 30/04 0,10 0,09 0,09

2º 01/05 0,15 0,04 0,13

3º 02/05 0,20 0,04 0,17

4º 03/05 * * *

5º 04/05 * * *

6º 05/05 0,35 0,13 0,30

Submersa

7º 06/05 0,39 0,04 0,34

8º 07/05 0,43 0,04 0,37

9º 08/05 0,45 0,02 0,39

10º 09/05 0,50 0,04 0,43

11º 10/05 * * *

12º 11/05 * * *

13º 12/05 0,65 0,13 0,56

Saturada

14º 13/05 0,70 0,04 0,61

*Leituras não realizadas, final de semana

Figura 3.2.10 - Percentuais de expansão diária e acumulada (leitura zero até o 14º dia)

da escória no ensaio PTM 130/78

Apesar da norma utilizada neste estudo só exigir que o ensaio seja realizado até o 14º

dia, o ensaio foi continuado até o 30º dia (Tabela 3.2.8). Esta decisão foi tomada a fim

de verificar como a escória de aciaria se comportaria em relação ao parâmetro

expansão em um período superior ao estipulado pela norma.

Tabela 3.2.8 - Expansão da escória após o 14º dia do ensaio PTM 130/78

Condição Dia Data Leitura (mm) Expansão Diária (%) % Expansão Acumulada

15º 14/05 0,75 0,04 0,65

16º 15/05 0,80 0,04 0,69

17º 16/05 0,90 0,09 0,78

18º 17/05 * * *

19º 18/05 * * *

20º 19/05 1,00 0,09 0,87

Submersa

21º 20/05 1,10 0,09 0,95

22º 21/05 1,11 0,01 0,96

23º 22/05 1,17 0,05 1,01

24º 23/05 1,21 0,03 1,05

25º 24/05 * * *

26º 25/05 * * *

27º 26/05 1,32 0,10 1,14

28º 27/05 1,35 0,03 1,17

29º 28/05 1,39 0,03 1,20

Saturada

30º 29/05 1,42 0,03 1,23

*Leituras não realizadas, final de semana

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

01236789101314

Dias

% Expansão

Expansão Acumul

Expansão Diária

Submersa

Saturada

A Figura 3.2.11 apresenta o gráfico percentual de expansão diária e expansão

acumulada versus tempo de cura (dias) para esta segunda parte do ensaio. Percebe-

se que, com a continuação do ensaio, a porcentagem de expansão acumulada

continua aumentando. Porém, ao final do ensaio (30º dia) o valor encontrado (1,25%)

foi inferior ao estabelecido pelo DNER (1994) (3,0%).

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

15 16 17 20 21 22 23 24 27 28 29 30

Dias

% Expansão

Expansão Acumulada

Expansão Diária

Figura 3.2.11 - Percentuais de expansão diária e acumulada para a escória em

continuação ao observado no ensaio PTM 130/98 (14º ao 30º dia)

Percebe-se que, tanto para a primeira parte do ensaio (1

° ao 14° dia) quanto para a

segunda parte (15

° ao 30° dia), a inclinação média da reta dada pela expansão

acumulada é igual à média da expansão diária. Para a parte inicial, este valor é de

0,04 e para a segunda parte é de 0,05.

3.3 - OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS DEMAIS AGREGADOS

Tanto os agregados utilizados nesta pesquisa, quanto aqueles utilizados na pesquisa

que serviu de comparação para este estudo (CTPETRO, 2003) foram coletados na

Pedreira Itaitinga. Esta pedreira localiza-se no município de Itaitinga, distante 30 km da

capital Fortaleza.

Além da escória de aciaria, este estudo utilizou em suas misturas areia de campo e

filer mineral. Os agregados convencionais utilizados na pesquisa comparativa foram:

brita ¾” e 3/8” (origem granítica), areia de campo, pó de pedra e filer mineral. Estes

materiais foram coletados em meados de Abril de 2003. Uma vista da pedreira, bem

como da coleta dos agregados para esta pesquisa estão na Figura 3.3.1.

Submersa

Saturada

(a) Vista da pedreira Itaitinga (b) Coleta dos agregados

Figura 3.3.1 - Vista da pedreira e coleta dos agregados

A granulometria da areia de campo foi determinada segundo a norma DNER – ME

083/98 (Agregados – análise granulométrica) e pode ser visualizada na Figura 3.3.2. A

densidade real deste agregado foi determinada seguindo a norma DNER – ME 084/95

(Agregado miúdo – determinação da densidade real). Para facilitar a expulsão das

bolhas de ar da amostra, optou-se por substituir a etapa de fervura dos picnômetros

por aplicação de -88 kPa de pressão (VASCONCELOS e SOARES, 2003b). Os

resultados dos três ensaios realizados, bem como a média desses valores, encontram-

se na Tabela 3.3.1. A densidade aparente deste agregado também foi determinada

pelo método ASTM C 128-97 (

Standard Test Method for Specific Gravity and

Absorption of Coarse Aggregate

). O valor encontrado foi de 2,641.

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

0.01 0.1 1 10 100

abertura das peneiras (mm)

% passando

Peneira (mm) % Passando

25,4 100,0

19,1 100,0

12,7 100,0

9,5 100,0

4,8 99,3

2,0 98,3

0,42 63,7

0,18 34,9

0,074 13,6

Figura 3.3.2 - Granulometria da areia de campo

Tabela 3.3.1 - Densidade real da areia de campo

Parâmetros Valores encontrados

Peso do Picnômetro (g) 158,60 158,60 158,60

Peso do Picnômetro + Amostra Seca (g) 643,00 658,00 657,50

Peso da Amostra Seca (g) 484,40 499,40 498,90

Peso do Picnômetro + Amostra + Água (g) 954,90 964,40 964,90

Peso da Água Complementar (g) 311,90 306,40 307,40

Peso do Picnômetro + Água (g) 656,40 656,40 656,40

Peso da Água (g) 497,80 497,80 497,80

Volume de Água Deslocada (cm

) 185,90 191,40 190,40

Densidade Real da Amostra 2,606 2,609 2,620

Média das Densidades Reais 2,612

A areia de campo apresentou EA (ME – 054/94) igual a 40,4%. Este valor encontra-se

abaixo do recomendado (55,0%) pelas especificações do DNER (1997a) quanto ao

EA.

O fíler utilizado foi natural, proveniente da areia de campo (apenas passado na peneira

de 0,074 mm, n

° 200) utilizada como agregado miúdo. A densidade do mesmo foi

determinada através do método DNER - ME 367/97 (Material de enchimento para

misturas betuminosas). O resultado encontrado foi de 2,640.

3.4 - OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO CAP

O ligante escolhido para este estudo é classificado por penetração como CAP 50/60.

Originado da Fazenda Alegre e fornecido pela Lubnor/Petrobras, o mesmo atendeu às

especificações brasileiras regulamentadas pelo Departamento Nacional de

Combustíveis (DNC, 1993). Estas especificações e os valores medidos no CAP

encontram-se na Tabela 3.4.1. A composição química deste CAP foi realizada no

Cenpes/Petrobras e pode ser vista na Tabela 3.4.2.

Tabela 3.4.1 - Especificações e valores medidos para a amostra de CAP 50/60

Fazenda Alegre (Lubnor/Petrobras)

Característica Método Especificação Unidade Resultados

Penetração ASTM D 5 50 a 60 0,1 mm 57

ECA – % Penetr. Original X 021* 50 min % 72

ECA – Variação de massa ASTM D 1754 1,0 max % 0,3

Índice de Susc. Térmica X 018 -1,5 a 1,0 - -0,9

Ponto de fulgor ASTM D 92 235 min ºC 296

Solubilid. no tricloroetileno ASTM D 2042 99,5 min % massa 100

Visc. Saybolt Furol a 135ºC ASTM E102 110 min s 222

Aquecimento a 175ºC X 215 Não espuma - Não espuma

*Calculado do percentual da penetração original determinada pelo método ASTM D 5

Tabela 3.4.2 - Composição química da amostra de CAP 50/60 Fazenda Alegre (Cenpes/Petrobras)

Ensaios Método CAP 50/60

Teor de nitrogênio total (%p/p) - 0,65

Teor de nitrogênio básico (%p/p) - 0,19

Fracionamento SARA (%) IATROSCAN TLC/FID

Saturados 15

Aromáticos 46

Resinas 21

Asfaltenos

Cromatografia em camada fina com

detecção por ionização de chama

Tamanho molecular (%)

Alto (APM > 3700) 17,5

Médio (425 < MPM < 3700) 59,5

Baixo (BPM < 425)

HP-GPC

23,1

Carbono aromático (%) NMR – Ressonância nuclear magnética 31,3

Teor de asfaltenos (%p/p) IP143 11,3

Este CAP pode ainda ser classificado, de acordo com as especificações Superpave,

como um PG (

Performance Grade = grau de desempenho) 64-28 (SOARES et al.,

1999a). Esta classificação advém de um estudo realizado entre 1987 e 1993 nos

Estados Unidos. O programa

Strategic Highway Research Program (SHRP) inseriu a

especificação do CAP a partir do desempenho dos pavimentos. Logo, um PG 64-28

seria adequado para pavimentos com temperaturas máxima de 64ºC e mínima de

-28ºC (SOARES

et al., 1999b). A Tabela 3.4.3 apresenta os resultados das análises

realizadas no Cenpes/Petrobras relativas às especificações Superpave do CAP

utilizado nesta pesquisa (ASTM D 6373-99). A densidade da amostra de CAP 50/60 foi

determinada a 25ºC pelo densímetro digital para amostras escuras (ASTM D 5002,

1994). O valor encontrado foi de 1,0252.

Tabela 3.4.3 - Resultados das análises relativas às especificações Superpave da

amostra de CAP 50/60 Fazenda Alegre (Cenpes/Petrobras)

Ensaios CAP 50/60

Viscosidade Brookfield 135ºC, 20 rpm, cP 474

Viscosidade Brookfield 150ºC, 20 rpm, cP 238

Viscosidade Brookfield 175ºC, 20 rpm, cP 89

Ductilidade a 25ºC, cm > 150

Cisalhamento G

/sen

(ºC)

Penetração a 35ºC, 100g, 5s, dmm 143

Penetração a 25ºC, 100g, 5s, dmm 51

Penetração a 15ºC, 100g, 5s, dmm 16

Ponto de Amolecimento (ºC) 51,1

Viscosidade a 60ºC, P 3972

PVN - 0,4

Após RTFOT

Perda em massa, % RTFOT 0,08 (p)

Viscosidade a 60ºC, P 10510

Ductilidade a 25ºC, cm > 150

Relação viscosidade após/antes RTFOT 2,7

Cisalhamento G

/sen

(ºC)

Penetração a 25ºC, 100g, 5s, dmm 36

Ponto de Amolecimento, ºC 57

Após RTFOT/PAV

Cisalhamento G

/sen

(ºC)

Fluência – BBR, ºC -18

Grau de Desempenho Superpave 64-28

Classificação DNC 50/60

Na Tabela 3.4.4 está a indicação das temperaturas de interesse para a classificação

SHRP para a capital Fortaleza. Nesta tabela, T

máx.

foi calculada a partir da média das

máximas temperaturas do ar durante os sete dias mais quentes do ano (T

) e da

latitude local (lat.), através da equação 3.4.1. O PG do CAP é apresentado de duas

formas, considerando apenas esta citada T

máx.

e para o caso do tráfego local ser

pesado. É possível perceber que o PG 64-28 é adequado para esta localidade.

7,17)9545,0()2,42lat2289,0latl00618,0T(T

ar.máx

−×+×+×−=

(3.4.1)

Tabela 3.4.4 -

Temperatura máxima do pavimento na região de Fortaleza e grau de

classificação SHRP do CAP necessário para atender esta condição (SOARES, 2000)

Local Lat. (graus) T

(ºC) T

máx.

(ºC) PG (T

máx.

) PG (T

máx.

, tráfego)

Fortaleza 3,46 34,4 56 58- 64-

3.5 - OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO DOPE

O DOPE escolhido para ser utilizado foi o CAP-DOP, fornecido pela Petrobras

Distribuidora S.A. Este melhorador de adesividade é definido como um composto

orgânico derivado do óleo de xisto (PETROBRAS, 2003). O fornecedor afirma que

este produto além de melhorar a adesividade, aumenta a durabilidade da mistura

asfáltica porque aumenta a resistência à desagregação dos agregados. É um material

que pode ser facilmente misturado ao CAP, não afeta as especificações do mesmo e

resiste às temperaturas de uso. O DOPE utilizado nesta pesquisa tem como

especificações básicas às descritas na Tabela 3.5.1.

Tabela 3.5.1 - Especificações do CAP-DOP (PETROBRAS, 2003)

Característica Resultado

Aparência visual (aspecto a 25ºC) Líquido e sem grumos

Ponto de fulgor (ºC) > 150

Viscosidade a 40ºC (sSF) 85

Densidade a 25ºC 0,97 a 1,03

Adesividade (teste de fervura por 1 minuto) Cobertura > 90%

CAPÍTULO 4

4 DOSAGEM MARSHALL

A intenção inicial deste estudo foi comparar o desempenho mecânico de uma mistura

asfáltica utilizando escória de aciaria como agregado com uma outra mistura asfáltica

dosada com agregados convencionais (mistura comparativa). A mistura comparativa

escolhida foi uma mistura asfáltica do tipo CBUQ dosada no LMP/DET/UFC para o

projeto “Estudo de Resíduo de Vácuo de Petróleo Nacional como Matéria Prima para

Pavimentação” (CTPETRO, 2003). Os dois tipos de misturas foram dosados segundo

a metodologia Marshall. As misturas, experimentais e comparativa, apresentam a

mesma curva granulométrica em peso dos agregados, diminuindo assim o número de

variáveis a serem avaliadas.

O presente estudo foi iniciado com a utilização da escória de aciaria em uma mistura

asfáltica na proporção de 60,0% em peso do agregado mineral (denominada

posteriormente de Mistura 2 - M2). Porém, nesta dosagem foi encontrada uma grande

variação (até 44,0%) nos parâmetros volumétricos para os cps moldados com escória.

Em vez de apenas quinze cps normalmente utilizados para a dosagem Marshall foi

necessário moldar sessenta cps. Mesmo assim, a partir de cps moldados no Teor de

Projeto (TP) realizou-se a caracterização mecânica desta mistura. Com relação aos

ensaios de Resistência à Tração estática por compressão diametral (RT) e Módulo de

Resiliência (MR) para cps moldados no TP, foram obtidos valores com pequena

variação. Nesta ocasião foi detectado que o material, escória de aciaria, era bastante

heterogêneo, isto é, grãos com mesmo tamanho possuíam diferentes características

(tanto vítreo quanto poroso). Porém as dosagens continuaram sendo feitas com o

material bruto, isto é, sem nenhuma separação de grãos com diferentes aspectos.

Depois de eliminado o risco de erro operacional, partiu-se para a dosagem de mais

duas misturas asfálticas com escória, variando-se a proporção deste agregado no

peso total, denominadas Mistura 1 (M1) e Mistura 3 (M3). Foram escolhidas

proporções de escória abaixo e acima daquela escolhida para a M2, isto é, 75,6%

(aproximadamente 80,0%) e 40,0%. Os cps moldados com estes teores de escória de

aciaria também apresentaram grande variação no que diz respeito aos parâmetros

volumétricos. Estas misturas foram caracterizadas mecanicamente no TP e também

em relação a esta caracterização houve grande variação.

Com a intenção de pesquisar possíveis fatores causadores da variação nos

parâmetros volumétricos que vinha sendo encontrada, a compactação foi trocada de

mecânica para manual. Esta mudança foi realizada para verificar se as variações

encontradas não estavam associadas com problemas no compactador automático.

Desta nova maneira, foram dosadas as Misturas 4 (M4) e 5 (M5) com as mesmas

proporções de escória utilizadas nas Misturas 1 (M1) e 2 (M2), 40,0% e 60,0%

respectivamente. As variações nos parâmetros volumétricos persistiram. Foi, contudo,

realizada a caracterização mecânica destas misturas não apenas para o TP, mas para

todos os teores utilizados na dosagem a fim de verificar se havia alguma tendência

com relação aos demais teores. A grande variação nos valores de MR persistiu. Estas

variações, bem como todas as outras já mencionadas, serão discutidas e

quantificadas neste capítulo.

Como última tentativa de obter resultados mais homogêneos, o material foi separado

manualmente, com a intenção de reduzir a heterogeneidade do rejeito, e a dosagem

da Mistura 6 (M6), com 40,0% de escória, foi realizada. O material escolhido para ser

utilizado foi aquele de aspecto poroso por ser o mais abundante, descartando-se os

agregados de aspecto vítreo. Esta separação também pode ser feita em grande

escala, visto que estes dois tipos de escória são vazados em dois momentos distintos

do processo siderúrgico, a escória porosa é proveniente do forno de arco elétrico

(chamada de escória de refino oxidante) e a escória lisa é proveniente do forno panela

(chamada de escória de refino redutor). Além desta separação, as misturas, antes de

serem utilizadas para a moldagem dos cps, foram condicionadas durante duas horas

em estufa com a temperatura de mistura (aproximadamente 160ºC). Este

condicionamento foi realizado para que pudesse ocorrer uma melhor interação ligante-

agregado, visto que o mesmo é bastante poroso. Depois de tomadas estas

precauções a variação nos parâmetros volumétricos diminuiu para um valor

considerado aceitável neste estudo (< 10,0%). Foi possível obter-se o TP da maneira

convencional. A M6 foi caracterizada mecanicamente, no TP, para verificação da não

variação dos resultados dos ensaios mecânicos. Esta última mistura foi caracterizada

no LMP/DET/UFC e no Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ. Essa decisão foi

tomada a fim de verificar a dispersão dos resultados para diferentes equipamentos e

operadores.

A variação na preparação da amostra está sintetizada no fluxograma da Figura 4.1.

Maiores detalhes em relação à metodologia de pesquisa estão no texto que se segue.

Figura 4.1 - Metodologia adotada nesta pesquisa

4.1 - DENSIDADE MÁXIMA TEÓRICA (DMT)

Encontra-se em ROBERTS et al. (1996) a definição de DMT como a razão entre a

massa total de agregados e ligante asfáltico e a soma dos volumes de agregados, dos

vazios impermeáveis, dos vazios permeáveis não preenchidos com asfalto e do total

de asfalto. Este parâmetro é importante, porque é necessário para o cálculo de vários

outros, como (VASCONCELOS

et al., 2003):

• Densidade efetiva do agregado;

DMT

Dosagem Marshall

(material misturado)

Dosagem Marshall

(material separado e

condicionado)

Compactação

Mecânica

Compactação

Manual

Compactação

Manual

40,0%

(

M1)

40,0%

(

M6)

80,0%

(

M3)

Caracterização

Mecânica

(Teor de Projeto)

40,0%

(

M4)

60,0%

(

M5)

60,0%

(

M2)

Caracterização

Mecânica

(Todos os teores)

Caracterização

Mecânica

(Teor de Projeto)

UFC

UFRJ

• Absorção de asfalto pelo agregado;

• Teor de asfalto efetivo;

• Volume de vazios (Vv);

• Valores alvo para compactação de misturas asfálticas compactadas com

compactador giratório (ASTM D 2041, 2000);

• Massa específica de misturas asfálticas já compactadas em campo.

No Brasil, a DMT costuma ser calculada pela equação 4.1.1:

CAP

n21CAP

...

P...PPP

DMT

++++

= (4.1.1)

Onde: P

CAP

, P

e P

= proporção dos materiais;

CAP

, D

e D

= densidades reais dos materiais.

Para o presente estudo, a DMT, além de calculada pela expressão 4.1.1, foi medida

em laboratório com aplicação de vácuo, segundo os procedimentos da norma ASTM D

2041 (2000) e nesta situação passou a ser chamada de Densidade Máxima Medida

(DMM). As vantagens de se usar a DMM são:

• Não precisar determinar as densidades reais individuais dos agregados;

• Descontar os poros preenchidos com ligante e não a absorção total medida com

água, que é muito menos viscosa que o ligante.

O ensaio é realizado seguindo os passos abaixo:

• Realizar a mistura de agregados e ligante nas proporções pré-estabelecidas em

um recipiente metálico de peso conhecido;

• Preencher o recipiente com água (25ºC) suficiente para cobrir a mistura;

• Aplicar, durante 15 minutos, uma pressão residual no manômetro de 30 mm de

mercúrio no recipiente contendo a mistura para expulsar os vazios existentes entre

os filmes de ligante;

• Restabelecer, no recipiente, a pressão ambiente;

• Colocar o conjunto, recipiente + mistura + água, imerso em água durante 10

minutos;

• Pesar o conjunto, recipiente + mistura + água, imerso em água.

A DMM, para este caso, é obtida pela seguinte fórmula:

B) - (C -A

= DMM

(4.1.2)

Onde A: massa da mistura seca ao ar (g);

B: massa do recipiente metálico imerso em água (g);

C: massa do recipiente + mistura, imersos em água (g).

A Figura 4.1.1 apresenta uma visão geral do equipamento para a realização do ensaio

bem como do medidor de pressão, utilizados neste estudo.

(a) Equipamento para medição da densidade

máxima

(b) Detalhe do medidor de pressão

Figura 4.1.1 - Equipamento para medição da densidade máxima

As DMMs para as misturas estudadas foram obtidas com a mesma proporção dos

materiais utilizados na moldagem dos cps, para as M1, M2 e M3 (com 40,0%; 60,0% e

80,0% de escória, respectivamente), porém com uma massa de 1.600 g. As misturas

foram feitas com o material misturado, isto é, da forma que o mesmo foi obtido,

apenas fracionado. Para as misturas M4 e M5 utilizaram-se os valores de DMT e DMM

das M1 e M2, respectivamente. Essa decisão foi tomada porque a única diferença

existente entre as M1 e M3, M2 e M4, é o tipo de compactação. Tanto os valores

calculados (DMT), como os medidos (DMM), para os três tipos de misturas com

escória de aciaria, estão na Tabela 4.1.1. Para os valores calculados, as densidades

reais utilizadas são as médias dos três ensaios realizados para cada material. Em

relação aos valores obtidos, foram realizados três ensaios e o valor apresentado na

Tabela 4.1.1 é uma média dos resultados encontrados. Os teores de CAP (%) foram

escolhidos de acordo com a dosagem das misturas asfálticas. Os valores podem ser

melhor visualizados na Figura 4.1.2.

Tabela 4.1.1 - Valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) e de Densidade Máxima

Medida (DMM) das misturas 1, 2 e 3, com 40,0%; 60,0% e 80,0% de escória

respectivamente

Teor de CAP (%)

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

Escória

DMT DMM DMT DMM DMT DMM DMT DMM DMT DMM DMT DMM DMT DMM

40,0 (M1) 2,617 2,685 2,596 2,666 2,575 2,637 2,555 2,600 2,535 2,583 2,515 2,560 2,495 2,546

60,0 (M2) 2,711 2,734 2,688 2,718 2,665 2,695 2,643 2,669 2,621 2,639 2,599 2,613 2,578 2,595

80,0 (M3) 2,847 2,929 2,829 2,897 2,795 2,895 2,776 2,849 2,750 2,838 2,724 2,808 2,699 2,786

2,300

2,400

2,500

2,600

2,700

2,800

2,900

3,000

Mistura e % CAP

DMT DMM

Figura 4.1.2 - Valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) e Densidade Máxima

Medida (DMM) das misturas 1, 2 e 3 com 40,0%; 60,0% e 80,0% de escória,

respectivamente versus teor de CAP

Acreditava-se que um maior valor de DMT seria obtido com a utilização da fórmula, já

que desta maneira um menor volume é considerado, conforme encontraram

VASCONCELOS

et al. (2003), porém para este estudo isto não foi constatado. Como

é possível perceber, na Figura 4.1.2, para todas as misturas e em todos os teores de

CAP, os valores calculados (DMT) são inferiores aos medidos (DMM). Os valores, de

DMT e DMM, aumentaram com o aumento do teor de escória de aciaria utilizado nas

misturas. Isto era esperado, visto que a escória é mais densa que os outros

componentes da mistura.

5,0% 5,5% 6,0% 6,5% 7,0% 7,5% 8,0%

Alguns valores, tanto calculados quanto medidos, para a mistura com 60,0% de

escória podem ser considerados iguais, visto que a repetibilidade do ensaio é de 0,02

(ASTM D 2041). A menor diferença encontrada foi de 0,01 (60,0% de escória e 7,5%

de ligante) e a maior de 0,1 (80,0% de escória e 6,0% de ligante). De maneira geral,

as diferenças encontradas entre os citados valores foram, em ordem crescente,

mistura com 60,0% < mistura com 40,0% < mistura com 80,0%. Acreditava-se que

quanto maior fosse a proporção de escória utilizada, maior seriam as diferenças

encontradas entre os valores da DMT e DMM, porém a heterogeneidade do rejeito

deve ter afetado estes resultados.

As DMMs para a mistura com 40,0% de escória de aciaria como agregado, com

material separado e condicionado em estufa por duas horas (M6), também foram

medidas. Os valores estão na Tabela 4.1.2, sendo estes uma média dos resultados

encontrados em três ensaios. Os teores de CAP (%) foram escolhidos de acordo com

a dosagem das misturas asfálticas. Os valores podem ser melhor visualizados na

Figura 4.1.3. Percebe-se que os valores de DMM com o material separado (somente

poroso) foi superior aos calculados e medidos com o material misturado. Apesar de

não terem sido obtidas as densidades reais da escória separada (somente material

poroso), é justificável que os valores de DMM encontrados com o uso apenas do

material poroso sejam superiores aos valores encontrados para o material misturado.

Para o primeiro caso, DMM somente com material poroso, o volume considerado

torna-se menor do que aquele considerado com a utilização do material misturado.

Tabela 4.1.2 - Valores de Densidade Máxima Medida (DMM) para a mistura 6 (40,0%

de escória)

Teor de CAP (%)

% Escória

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5

40,0 (M6) 2,702 2,679 2,663 2,628 2,595 2,579

1/4/6

2,300

2,350

2,400

2,450

2,500

2,550

2,600

2,650

2,700

2,750

Mistura x teor de CAP

DMT calculada DMM DMM - material separado e condicionado

Figura 4.1.3 - Valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) e Densidade Máxima

Medida (DMM) para a mistura 6 (40,0% de escória), material no estado original

(misturado e sem condicionamento) e separado e condicionado versus teor de CAP

Tanto os valores de DMT quanto os de DMM foram testados nas dosagens Marshall a

fim de verificar a diferença que seria encontrada quando da determinação dos TPs. Os

valores encontrados estão na Tabela 4.1.3. Para algumas misturas, não foi possível

obter-se o TP com os cps moldados, visto que os parâmetros volumétricos

encontrados estavam fora dos limites estabelecidos pelo método utilizado nesta

pesquisa (SOARES

et al., 2000). Os valores encontrados, utilizando as duas

densidades máximas (calculadas e medidas) para a M2 (60,0% de escória) podem ser

considerados iguais segundo a variação admitida em campo de ± 0,3%. Para as

outras misturas, os valores podem ser considerados diferentes até 0,6% (caso da M4)

(DNER, 1997).

Tabela 4.1.3 - Valores de Teores de Projeto (TP) (%) calculados a partir de valores de

Densidade Máxima Teórica (DMT) e Densidade Máxima Medida (DMM) para as

misturas experimentais

Mistura

TP (%)

1 2 3 4 5 6

TP (%) - DMT 6,2 6,9 - 5,7 - 6,2

TP (%) - DMM 6,6 7,2 6,8 6,3 6,2 6,6

5,0%

5,5%

6,0%

6,5%

7,0%

7,5%

Para os casos em que foi necessário moldar cps no TP, as DMTs e DMMs utilizadas

foram as que estão na Tabela 4.1.4. Para as M1 e M6 foram utilizados os valores de

DMT e para as M2 e M3 foram utilizados os valores de DMM. Os valores para as

misturas M4 e M5 não estão reportados nesta Tabela porque para estas misturas não

foi necessária a moldagem de cps no TP, porque a caracterização mecânica foi

realizada com os mesmos cps da dosagem.

Tabela 4.1.4 - Valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) (para as misturas 1 e 6) e

Densidade Máxima Medida (para as misturas 2 e 3) para o Teor de Projeto (TP)

Mistura

Parâmetros

1 2 3 6

DM 2,561 2,639 2,843 2,561

TP (%) 6,2 7,0 6,8 6,2

Para o caso de materiais pétreos, os valores de DMT devem ser aproximadamente

iguais aos valores de DMM. As diferenças encontradas podem ser justificadas pelo

fato de que o material em teste é não convencional, poroso e bastante heterogêneo.

Além deste fato, a correta interpretação da norma é que a pressão a ser aplicada é a

pressão residual ∆ = 30 mm (diferença entre -760 mm e -730 mm). Uma pressão bem

abaixo da exigida em norma foi de fato aplicada. A bomba de vácuo utilizada não

possui capacidade para aplicação de pressão de vácuo acima de 140 mm de

mercúrio. Algumas hipóteses foram levantadas.

A primeira hipótese para as diferenças encontradas foi que a pressão feita pelo

equipamento de vácuo, a má adesividade ligante-escória e a alta porosidade da

escória tivessem feito com que os vazios tidos como “impermeáveis” nos agregados

de escória tivessem sido atingidos e passassem a ser preenchidos com água e/ou

ligante. Isto teria levado a um maior valor de DMM se comparada com a DMT. A

Figura 4.1.4 apresenta um esquema da interação ligante-agregado durante o ensaio

de DMM. Esta hipótese, posteriormente, foi descartada por considerarmos que estes

vazios são de fato inatingíveis.

Figura 4.1.4 - Esquema agregado com ligante (VASCONCELOS

et al., 2003)

A segunda hipótese levantada foi que as diferenças estariam sendo encontradas

devido à diferença entre a obtenção das densidades reais (utilizadas no cálculo da

DMT) e da DMM. Isto é, a DMM é obtida com utilização do vácuo enquanto que as

densidades reais não. Isto estaria levando a menores valores de densidades reais e

conseqüentemente a menores valores de DMT (MARQUES, 2004).

A fim de verificar estes fatos, optou-se por determinar as densidades reais dos

agregados com aplicação de vácuo. O procedimento utilizado foi o mesmo para

obtenção da DMM, sem a utilização de ligante. Foram feitas três determinações e as

diferenças persistiram, os valores de DMT tornaram-se ainda menores se comparados

com os valores de DMM. Acredita-se que a perda de finos durante a imersão da

mistura de agregados levou a estes resultados.

Optou-se então pela obtenção somente da densidade da escória com aplicação de

vácuo. A densidade foi obtida segundo os procedimentos da norma ME 081/98. Para

provocar a expulsão do ar da amostra, a mesma foi submetida a uma fervura de

aproximadamente 15 minutos e posteriormente a uma pressão de 30 mm de mercúrio

no equipamento Rice. O resultado encontrado (média de três determinações) para a

densidade real da escória foi de 3,59. Este valor foi 8,0% superior ao encontrado com

o procedimento convencional (DNER – ME081/98). Apesar da pressão aplicada ser

inferior a recomendada pela norma ASTM D 2041 (2000), conforme mencionado

anteriormente, tanto a DMM quanto a densidade real da escória foram obtidas da

mesma forma.

Os ensaios para obtenção das densidades reais da escória miúda (passando na

peneira nº 4) e da areia também foram refeitos. O procedimento convencional (DNER

– ME 084/95) foi adaptado da mesma maneira que o descrito para o ensaio realizado

com a escória graúda. O valor da densidade real da escória miúda passou de 3,51

para 3,67 e da areia de 2,61 para 2,62. Os valores encontrados para as DMTs

calculadas com utilização destes valores de densidades reais estão na Tabela 4.1.5.

Tabela 4.1.5 - Valores de Densidade Máxima Teórica com a obtenção das densidades

reais de maneira convencional (DMT) e não-convencional (DMT*) das misturas 1, 2 e

3, com 40,0%; 60,0% e 80,0% de escória respectivamente

Teor de CAP (%)

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

% Escória

DMT DMT* DMT DMT* DMT DMT* DMT DMT* DMT DMT* DMT DMT* DMT DMT*

40,0 (M1) 2,617 2,690 2,596 2,667 2,575 2,645 2,555 2,623 2,535 2,602 2,515 2,580 2,495 2,560

60,0 (M2) 2,711 2,816 2,688 2,790 2,665 2,765 2,643 2,741 2,621 2,717 2,599 2,693 2,578 2,670

80,0 (M3) 2,847 2,980 2,829 2,966 2,795 2,922 2,776 2,906 2,750 2,876 2,724 2,847 2,699 2,819

Como era de se esperar, as DMTs calculadas com o valor de densidade real da

escória com o procedimento adaptado (utilização de fervura e vácuo) foram superiores

às calculadas com a densidade real obtida de maneira convencional (DNER – ME

081/98). Os valores calculados foram ainda superiores aos obtidos (DMM), como era

esperado e compatível com o encontrado na literatura (VASCONCELOS e SOARES,

2003). Estas diferenças podem ser melhor visualizadas nas Figuras 4.1.5 e 4.1.6.

2,300

2,400

2,500

2,600

2,700

2,800

2,900

3,000

Mistura e % CAP

DMT DMT* Rice

Figura 4.1.5 - Valores de Densidade Máxima Teórica (DMT) e Densidade Máxima

Teórica Rice (DMT*) para as misturas 1, 2 e 3 com 40,0%; 60,0% e 80,0% de escória,

respectivamente versus teor de CAP

5,0%

5,5%

6,0% 6,5%

7,0%

7,5% 8,0%

2,300

2,400

2,500

2,600

2,700

2,800

2,900

3,000

Mistura e % CAP

DMM DMT* Rice

Figura 4.1.6 - Valores de Densidade Máxima Medida (DMM) e Densidade Máxima

Teórica Rice (DMT*) para as misturas 1, 2 e 3, com 40,0%; 60,0% e 80,0% de

escória, respectivamente versus teor de CAP

Apesar das diferenças, optou-se por utilizar os valores de DMM, ao invés dos

calculados, por acreditar-se que estes são mais realistas. Para as misturas com 40,0%

de escória, foi utilizada a DMT (convencional, sem o procedimento para a obtenção da

densidade real adaptado). Isto ocorreu devido à quebra do equipamento de medida da

densidade no período em que as dosagens destas misturas estavam sendo realizadas

e porque a decisão por obter as densidades reais com o procedimento adaptado só foi

tomada no final da pesquisa. Nesta época as dosagens e a caracterização das

misturas já haviam sido feitas, logo não havia tempo hábil para a realização desta

mudança. Acredita-se que estes fatos não serão relevantes para este estudo devido à

grande dispersão encontrada para os parâmetros volumétricos, como será discutido a

seguir.

4.2 - AGREGADOS

A mistura comparativa escolhida foi um CBUQ convencional tendo como agregados

brita ¾” e 3/8” (origem granítica), areia de campo, pó de pedra e filer mineral. A

granulometria desta mistura, bem como os limites da faixa C do DNER para CBUQ,

podem ser vistos na Tabela 4.2.1 (CTPETRO, 2003).

5,0% 5,5% 6,0% 6,5% 7,0% 7,5% 8,0%

Tabela 4.2.1 - Granulometria da mistura comparativa e limites da faixa C do DNER

para CBUQ

Faixa C - % passando, em peso

Peneira

Abertura

(mm)

Granulometria

Comparativa

Limite inferior Limite superior

Tolerâncias fixas

de projeto

(%)

¾” 19,1 100,0 100,0 100,0

± 7,0

½” 12,7 89,4 85,0 100,0

± 7,0

3/8” 9,5 75,6 75,0 100,0

± 7,0

Nº 4 4,8 58,4 50,0 85,0

± 5,0

Nº 10 2,0 47,2 30,0 75,0

± 5,0

Nº 40 0,42 28,3 15,0 40,0

± 5,0

Nº 80 0,18 15,4 8,0 30,0

± 2,0

Nº 200 0,074 7,2 5,0 10,0

± 2,0

O estudo teve início com uma mistura asfáltica do tipo CBUQ que utilizou escória de

aciaria (60,0%) e areia de campo, como agregados (M2), como é ilustrado na Figura

4.2.1(a). No decorrer da pesquisa mais duas proporções de escória foram testadas,

40,0% e 80,0%, aproximadamente. As porcentagens de uso dos agregados para as

três proporções de escória estão na Tabela 4.2.2. Neste trabalho optou-se por utilizar

a faixa C do DNER para revestimentos do tipo CBUQ por ser a mais usada no estado

do Ceará. Caso fosse feita a opção pelas faixas A ou B do DNER seria necessária

uma correção granulométrica das misturas de escória e agregados utilizados. O

fracionamento da escória pode ser visualizado na Figura 4.2.1(b).

(a) Mistura de agregados naturais

e escória

(b) Fracionamento escória de aciaria

Figura 4.2.1 - Proporção de agregados e fracionamento da escória

Percebe-se, na Figura 4.2.2 que as misturas experimentais (com escória) e

comparativa (com brita de origem granítica) se enquadram nos limites da faixa C do

DNER para revestimentos do tipo CBUQ, aproximando-se do limite inferior para

peneiras com abertura igual ou acima de 10 mm. Com a intenção de diminuir o

número de variáveis nas misturas, optou-se por fazer com que as curvas

granulométricas das misturas com escória coincidissem com a curva da mistura de

referência (em peso dos agregados, mas não em volume). A semelhança das quatro

curvas é verificada, visto que a norma DNER – ES 313/97 estabelece tolerâncias fixas

de projeto.

Tabela 4.2.2 -

Porcentagem de uso dos agregados nas misturas experimentais com

escória

Misturas

40,0% escória (M1, M4 e M6) 60,0% escória (M2 e M5) 80,0% escória (M3)

Material % Material % Material %

Escória (3/4” e ½”) 10,6 Escória (3/4” e ½”) 10,6 Escória (3/4” e ½”) 10,6

Escória (1/2” e 3/8”) 13,8 Escória (1/2” e 3/8”) 13,8 Escória (1/2” e 3/8”) 13,8

Escória (3/8” e Nº 4) 15,6 Escória (3/8” e Nº 4) 16,9 Escória (3/8” e Nº 4) 17,0

A. Campo (Nº 4 e 10) 13,0 Escória (Nº 4 e 10) 10,8 Escória (Nº 4 e 10) 11,0

A. Campo (Nº 10 e 40) 15,0 Escória (Nº 10 e 40) 4,8 Escória (Nº 10 e 40) 12,1

A. Campo (Nº 40 e 80) 15,0 Areia de Campo 43,2 Escória (Nº 40 e 80) 7,1

A. Campo (Nº 80 e 200) 10,0 - Escória (Nº 80 e 200) 4,0

Fíler mineral 7,0 - Areia de Campo 20,0

100

0,01 0,1 1 10 100

abertura das peneiras (mm)

% passando

Faixa C - DNER

Comparativa

Escória de Aciaria -

40%

Escória de Aciaria -

60%

Escória de Aciaria -

80%

Figura 4.2.2 -

Enquadramento das misturas de agregados (experimentais e

comparativa) na faixa C do DNER

Apesar da não utilização da dosagem Superpave nesta pesquisa, a título de

curiosidade, as granulometrias das misturas experimentais e comparativa foram

avaliadas em relação a esta metodologia. Percebe-se na Figura 4.2.3 que as mesmas

atendem aos requisitos propostos no que diz respeito aos pontos de controle e a zona

de restrição (MOTTA

et al., 1994).

Figura 4.2.3 - Granulometria Superpave das misturas

4.3 - TEOR DE PROJETO (TP)

Os TPs foram baseados num valor selecionado a partir dos teores obtidos para

atender os limites do DNER de Volume de vazios (Vv entre 3,0% a 5,0%) e Relação

Betume-Vazios (RBV entre 75,0% a 82,0%) para CBUQ. O Vv e o RBV são obtidos

por meio das Equações 4.3.1 e 4.3.2, respectivamente.

%100

D - DM

×=

(4.3.1)

VAM

VCB

RBV =

(4.3.2)

Onde: DM = Densidade Máxima (a depender da mistura, DMT ou DMM)

= densidade aparente da mistura;

VCB = Vazios Com Betume;

VAM = Vazios no Agregado Mineral.

100

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

(d/D)^0,45

% passando

Pontos de Controle Zona de Restrição

Linha de densidade máxima Granulometria Misturas

imersoar

P - P

(4.3.3)

CAP

CAPa

VCB

(4.3.4)

VCBVvVAM +=

(4.3.5)

Onde: P

CAP

= teor de CAP;

CAP

= densidade do CAP.

Para obtenção do TP foram moldados cinco grupos de cps com diferentes teores de

ligante, três cps para cada grupo. O TP foi estimado e com incrementos de 0,5% foram

moldados dois grupos acima e dois grupos abaixo do teor estimado. Com os valores

de Vv e RBV encontrados para estes quinze cps foi obtido o gráfico Vv e RBV versus

teor de CAP (%). A partir dos quatro limites especificados, são obtidos quatro valores

de CAP. O TP é a média dos dois valores centrais. Este método é adotado DNER e foi

descrito em SOARES

et al. (2000). Por exemplo, no caso representado pela Figura

4.3.1, o TP será a média dos valores centrais (6,9 e 7,2), isto é, 7,1 aproximadamente.

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

5,5 5,7 5,9 6,1 6,3 6,5 6,7 6,9 7,1 7,3 7,5

Teor de CAP (%)

Vv (%)

45,0

50,0

55,0

60,0

65,0

70,0

75,0

80,0

85,0

90,0

95,0

100,0

RBV (%)

Figura 4.3.1 - Exemplo de obtenção do Teor de Projeto (TP)

Os cps foram compactados com um esforço de 50 golpes por camada, igual ao que se

utilizou para a mistura comparativa simulando um tráfego médio. A temperatura do

ligante para a realização da mistura ficou entre 155 e 162ºC e a temperatura de

compactação entre 144 e 149ºC. Estas temperaturas foram determinadas a partir da

viscosidade do CAP utilizado (DNER, 1995a) (Figura 4.3.2).

1,0

10,0

135 137 139 141 143 145 147 149 151 153 155 157 159 161 163 165 167 169 171 173 175

Temperatura (ºC)

Viscosidade (Poise)

Viscosidade

Faixa de mistura

Faixa de compactação

Figura 4.3.2 - Viscosidade (Poise) da amostra de CAP 50/60 Fazenda Alegre versus

temperatura (ºC)

A mistura comparativa, utilizada como referência neste estudo apresentou os

parâmetros volumétricos mostrados na Figura 4.3.3. O TP encontrado foi de 6,4% de

CAP e a maior variação no Vv foi de 7,3% para o teor de 6,0% de CAP.

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

5,5 6,0 6,5 7,0 7,5

Teor de ligante (%)

Volume de vazios (%)

CAP

(%)

RBV

(%)

5,5 5,7 68,6

6,0 4,7 74,3

6,4 4,5 74,6

6,5 4,2 77,8

7,0 2,5 86,7

7,5 2,3 87,9

(a) Variação do Vv com o teor de ligante

(b) Vv e RBV

médios por teor

de ligante

Figura 4.3.3 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a mistura

comparativa

A M2 (60,0% de escória) foi compactada mecanicamente. Primeiramente, os cps

foram moldados com 1.200 g, porém os mesmos não atingiram a altura especificada

TP 6,4%

10 cps

Variação 7,3%

Comp. Mecânica

(63,5 mm ± 1,3 mm) pela norma DNER – ME 043/95 (Misturas betuminosas a quente

– ensaio Marshall). Optou-se então por moldá-los com 1.300 g. De certa forma isto já

era esperado, porque a densidade da escória é maior do que a da brita, logo um

menor volume foi utilizado na confecção dos cps com 1.200 g. As médias dos valores

de Vv e RBV encontrados estão na Figura 4.3.4. O valor do TP encontrado foi de

7,2%. Optou-se por utilizar o teor de 7,0% de ligante, visto que com este teor os

parâmetros Vv e RBV estão dentro dos limites estabelecidos pelo DNER e os cps não

apresentaram exsudação, o que foi observado com o teor de 7,2%. Destaca-se

novamente que por tratar-se de uma mistura não convencional, a metodologia teve

que ser adaptada.

Percebe-se que, o Vv e o RBV diminuem e aumentam, respectivamente, com o

aumento do teor de ligante, exceto para o teor de 7,2%. Em relação ao Vv, somente as

misturas com teores de ligante de 7,0%; 7,2% e 7,5% encontram-se dentro dos limites

estabelecidos pelo DNER para CBUQ. Para o RBV, somente a mistura com 7,0% de

ligante apresentou valores dentro da faixa recomendada pelo DNER.

Inicialmente, a intenção era moldar três cps para cada um dos teores de 5,0%; 5,5%;

6,0%; 6,5% e 7,0% de ligante. Todavia, os valores encontrados para Vv e RBV foram

muito discrepantes, apesar de terem sido mantidas todas as variáveis do ensaio.

Foram encontradas diferenças de até 44,0% para o teor de 7,5% de CAP, conforme

Figura 4.3.4(a). Um total de sessenta cps foi moldado. Aqueles que apresentaram

diferenças acima de 10,0% em relação à média dos parâmetros volumétricos foram

descartados. Esta tolerância em relação à variação de Vv e RBV foi estabelecida visto

que a variação permitida do teor de ligante é de ± 0,3% (DNER, 1997a) e da

densidade dos agregados é de, no máximo, ± 3,2% (ASTM, 1988). Estas variações

admissíveis induzem a variações dos valores de Vv e RBV maiores do que a adotada

neste estudo. A fim de estabelecer um critério rigoroso e tornar ainda menor a

variação permitida para os parâmetros volumétricos deste estudo, optou-se por

estabelecer a tolerância de 10,0%. Esta tolerância, em relação à variação nos

parâmetros volumétricos, foi estabelecida também para as outras misturas

experimentais.

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

Teor de ligante (%)

Volume de vazios (%)

CAP

(%)

RBV

(%)

5,0 11,2 51,3

5,5 9,0 59,5

6,0 8,2 63,7

6,5 6,4 71,2

7,0 4,9 77,8

7,2 3,0 85,7

7,5 3,2 85,4

8,0 2,1 90,2

(a) Variação do Vv com o teor de ligante

(b) Vv e RBV

médios por teor

de ligante

Figura 4.3.4 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a mistura 2

(60,0% de escória)

Primeiramente, as diferenças encontradas na dosagem foram atribuídas a erros

operacionais, porém observou-se que a escória de aciaria utilizada neste estudo é

muito heterogênea, como é possível verificar na Figura 4.3.5. Os grãos, de mesmo

tamanho, apresentam diferentes texturas, tanto lisa e vítrea, quanto quebradiça e

porosa.

Figura 4.3.5 - Diferenças entre os aspectos da escória utilizada

Partiu-se então para a dosagem das misturas asfálticas chamadas de M1 (40,0% de

escória) e M3 (80,0% de escória). As médias dos valores de Vv e RBV encontrados

para a M1 estão na Figura 4.3.6 e para a M3 estão na Figura 4.3.7. Os cps tiveram

TP 7,0%

60 cps

Variação 44,0%

Comp. Mecânica

Porosos

Vítreos

que ser moldados com 1.280 g e 1.400g, respectivamente, para que os mesmos

atingissem a altura especificada (DNER ME 043/95). O TP encontrado para a M1 foi

0,8% inferior ao teor de 7,0% utilizado na M2 (60,0% de escória). O TP encontrado

para a M3 (6,7%) pode ser considerado igual ao adotado para a M2 (DNER, 1997).

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

Teor de ligante (%)

Volume de vazios (%)

CAP

(%)

RBV

(%)

6,0 3,5 80,3

6,2 2,8 84,5

6,5 2,2 87,7

7,0 1,4 92,4

7,5 0,2 98,7

8,0 0,5 97,7

(a) Variação do Vv com o teor de ligante

(b) Vv e RBV médios

por teor de ligante

Figura 4.3.6 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a mistura 1

(40,0% de escória)

Considerando um mesmo teor de CAP, a variação encontrada entre os Vv para a M1

foi bastante elevada (84,8% para o teor de 7,0% de CAP). Os cps foram moldados nos

teores contidos na Figura 4.3.6(b) porque era esperado que o teor de ligante para a

mistura com Vv igual a 4,0% estivesse entre eles, como aconteceu para a M2. Nota-se

que isto não ocorreu. A confecção de outros cps poderia indicar um TP ainda inferior

ao encontrado. Optou-se por não confeccioná-los devido à grande variação

encontrada nos parâmetros volumétricos iniciais.

Depois que os valores de Vv e RBV discrepantes foram eliminados, percebeu-se

coerência nos resultados: Vv diminuiu com o aumento do teor de ligante (exceto para

7,5% e 8,0%) e o RBV aumentou (exceto para os teores de 7,5% e 8,0%). Apenas

para o teor de 6,0% de CAP os parâmetros volumétricos encontram-se dentro dos

limites estabelecidos pelo DNER. Os parâmetros volumétricos para o TP estão fora

dos limites estabelecidos pelo DNER, porém estes foram os valores encontrados,

quando foram moldados cps neste teor para caracterização mecânica.

TP 6,2%

21 cps

Variação 84,8%

Comp. Mecânica

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

Teor de ligante (%)

Volume de vazios (%)

CAP

(%)

RBV

(%)

6,0 5,8 72,2

6,5 4,7 78,3

6,7 5,3 77,0

7,0 3,6 83,8

7,5 3,4 85,5

8,0 2,5 89,3

(a) Variação do Vv com o teor de ligante

(b) Vv e RBV médios

por teor de ligante

Figura 4.3.7 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a mistura 3

(80,0% de escória)

Comparativamente às M1 e M2, a M3 apresentou menor variação entre os Vv (máximo

de 42,4% para o teor de 7,0% de CAP). Para esta mistura, a escolha dos teores de

ligante que seriam utilizados foi baseada na escolha para a M2. Diferentemente do

que aconteceu com a M1, para a M3 o teor de ligante para a mistura com Vv igual a

4,0% está entre os teores escolhidos na dosagem.

Os valores de Vv e RBV apresentaram-se coerentes para a M3: o Vv diminuiu com o

aumento do teor de ligante e o RBV aumentou (exceto para o TP). Em relação ao Vv,

somente as misturas com teores de ligante de 6,5%, 7,0% e 7,5% encontraram-se

dentro dos limites estabelecidos pelo DNER. Para o RBV, somente a mistura com

6,5% e 6,7% de ligante apresentou valores dentro destes citados limites. Apesar da

M3 utilizar uma maior porcentagem de escória (80,0%) comparativamente com a M1

(40,0%), a M3 apresentou dados mais coerentes do que a M1. Deve-se levar em

consideração que o material é bastante heterogêneo e isto pode ter influenciado os

resultados.

O estudo prosseguiu com as dosagens de mais duas misturas, chamadas de M4

(40,0% de escória) e M5 (60,0% de escória). Os valores médios de Vv e RBV

encontrados para a M4 estão nas Figuras 4.3.8 e para a M5 estão na Figura 4.3.9. Os

cps tiveram que ser moldados com as mesmas quantidades de material das M1 e M2,

respectivamente. O TP encontrado para a M4 foi inferior aos encontrados para as M5

TP 6,7%

19 cps

Variação 42,4%

Comp. Mecânica

e M1 (DNER, 1997). Acredita-se que a proporção menor de escória utilizada na M4

acarretou em um menor teor de ligante requerido.

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5

Teor de ligante (%)

Volume de vazios (%)

CAP

(%)

RBV

(%)

5,0 7,0 62,6

5,5 3,4 78,3

6,0 2,2 87,1

6,5 1,3 92,3

7,0 0,7 96,0

7,5 0,4 97,7

(a) Variação do Vv com o teor de ligante

(b) Vv e RBV médios

por teor de ligante

Figura 4.3.8 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a mistura 4

(40,0% de escória)

A M4 apresentou uma variação nos parâmetros volumétricos relativamente baixa (até

25,8% para o teor de 6,0% de CAP) e próxima da admissível para este estudo. Para

esta mistura, optou-se por aumentar os teores de ligante utilizados na dosagem dos

cps, devido à experiência adquirida com a M1. Como era de se esperar, o teor de

ligante utilizado na mistura que produziria um Vv igual a 4,0% está abaixo de 6,0%.

Com relação aos valores encontrados para Vv e RBV na M4, os mesmos

apresentaram-se inconsistentes. Um aumento de 0,5% no teor de ligante acarretou

uma diminuição de 47,0% no Vv, para os teores de 5,0% e 5,5% de CAP. Para os

teores de 5,5% a 7,5% os valores de Vv e RBV diminuíram e aumentaram com o

aumento do teor de CAP, respectivamente. Somente para o teor de 5,5%, os valores

de Vv e RBV encontraram-se dentro dos limites estabelecidos pelo DNER. Apesar da

determinação do TP, para esta mistura, não foram moldados cps neste teor porque a

caracterização mecânica desta mistura foi feita ainda na dosagem.

TP 5,7%

24 cps

Variação 25,8%

Comp. Manual

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

Teor de ligante (%)

Volume de vazios (%)

CAP

(%)

RBV

(%)

6,0 3,0 84,1

6,5 3,3 83,3

7,0 1,5 91,4

7,5 0,9 95,4

8,0 0,4 98,1

(a) Variação do Vv com o teor de ligante

(b) Vv e RBV médios

por teor de ligante

Figura 4.3.9 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a mistura 5

(60,0% de escória)

A variação encontrada entre os Vv para a M5 (> 100,0% para o teor de 8,0% de CAP)

foi bastante superior a da M4. Para esta mistura, os teores de ligante escolhidos para

serem utilizados na dosagem foram baseados naqueles utilizados para a M2.

Acreditava-se que, como estas duas misturas (M2 e M5) foram dosadas com a mesma

proporção de escória, os seus TPs seriam próximos. Isto não foi constatado. Como é

possível perceber, o TP que seria utilizado na mistura que produziria um Vv igual a

4,0% não está entre os escolhidos. Para os teores de 7,0%, 7,5% e 8,0% foram

encontrados valores de Vv muito abaixo de 4,0%. Apenas para os teores de 6,0% e

6,5% o Vv está dentro dos limites estabelecidos para o DNER, enquanto que para o

RBV nenhum teor de ligante testado levou a valores dentro da faixa especificada. O Vv

e o RBV para o TP não foram obtidos porque, assim como na M4, a caracterização

mecânica desta mistura foi realizada ainda na dosagem, não sendo necessária a

moldagem destes cps.

A M6 foi a única mistura experimental que se comportou como uma mistura

convencional, isto é, os parâmetros volumétricos encontrados não variaram além de

10,0% em relação à média dos mesmos (Figura 4.3.10). A maior variação encontrada

foi de 7,8% para o teor de 5,5% de CAP. O TP encontrado para esta mistura foi

superior aos das M1 e M4 (DNER, 1997). Para os teores de 5,0% e 7,0% de ligante os

valores de Vv estão fora dos limites estabelecidos pelo DNER. Para o RBV, isto só

não ocorreu para o teor de 6,0%. Percebe-se que apesar desta mistura ter utilizado

TP 6,2%

54 cps

Variação > 100,0%

Comp. Manual

somente agregados porosos, o TP (6,2%) foi inferior ao encontrado para a M2 (7,0%)

que utilizou agregados brutos, isto é misturados. Porém, o percentual de escória

porosa na siderúrgica e, acredita-se, no laboratório também, é de 80,0% (percentual

de escória de refino oxidante). Logo, a M2 (com 60,0% de escória misturada) contêm

48,0% de escória porosa e 12,0% de escória lisa. Sendo assim, é justificável que o TP

para a M2 seja superior ao encontrado para a M6.

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

Teor de ligante (%)

Volume de vazios (%)

CAP

(%)

RBV

(%)

5,0 6,7 63,8

5,5 4,7 73,7

6,0 4,7 75,3

6,2 3,1 82,9

6,5 3,2 82,9

7,0 2,7 86,2

(a) Variação do Vv com o teor de ligante

(b) Vv e RBV médios

por teor de ligante

Figura 4.3.10 - Variação dos parâmetros volumétricos (Vv e RBV) para a mistura 6

(40,0% de escória)

A consistência nos resultados encontrados para esta mistura reforça o que já era

imaginado. O fato desta mistura ter sido dosada com material separado (somente

partículas porosas, para a escória graúda, ver Figura 4.3.11) diminuiu a

heterogeneidade do rejeito e, conseqüentemente, as variações nos parâmetros

volumétricos das misturas. Outro fato que deve ter contribuído para os valores

encontrados foi o condicionamento ao qual esta mistura foi submetida antes da

compactação. A permanência da massa asfáltica em estufa (160ºC) durante duas

horas deve ter aumentado a interação ligante-agregado e contribuído para redução

das variações encontradas para as outras misturas.

TP 6,2%

30 cps

Variação 7,8%

Comp. Manual

Figura 4.3.11 - Ilustração da separação da escória de aciaria em dois grupos pela

aparência dos grãos para compor a mistura 6 (40,0% de escória)

4.4 - ABSORÇÃO DE LIGANTE

Devido à alta porosidade da escória de aciaria utilizada, optou-se por avaliar o

percentual de ligante absorvido pelos agregados. A metodologia escolhida foi a

proposta por ROBERTS

et al. (1996). A M2 (60,0% de escória) foi utilizada para

realização deste ensaio.

Para a obtenção do percentual de ligante absorvido, outros parâmetros são

necessários:

• Densidade aparente da mistura asfáltica (DNER ME 117/87): a média dos seis

ensaios realizados foi de 2,51;

• Densidade efetiva dos agregados (D

) (ROBERTS et al., 1996) (Equação 4.4.1): o

valor encontrado foi de 2,99;

CAP

DMM

−

(4.4.1)

Onde: %

CAP

= teor de ligante utilizado;

DMM = Densidade Máxima Medida para a M2, para o teor de 7,0% de CAP.

• Densidade aparente dos agregados (DNER ME 081/98 e ASTM C 128-97) (D

ap.ag.

as médias dos três ensaios realizados foram de 2,92 e 2,64 para agregados

graúdo e miúdo, respectivamente. A densidade aparente da mistura dos agregados

foi calculada através de uma ponderação dos resultados encontrados para

agregados graúdos e miúdos. O valor encontrado foi de 2,76. A densidade

aparente do agregado miúdo foi realizada como descrito em VASCONCELOS e

SOARES (2003).

O percentual de ligante absorvido (%CAP

abs

) encontrado foi 2,9%, obtido através da

Equação 4.4.2. Logo, parte do ligante que imaginava-se que estivesse sendo utilizado

na mistura para impermeabilizar e unir os agregados está sendo absorvido pela

escória. Esta absorção pode ser considerada alta visto que a variação admissível em

relação ao teor de ligante em campo é de ± 0,3% (DNER, 1997). Apesar disso, este

valor já era esperado porque o valor da absorção d’água encontrada para a escória de

aciaria (4,5%) foi superior ao estabelecido pela norma do (DNER, 1994j) (1,0% a 2,0%

em peso). Este rejeito, além de bastante poroso, apresenta reentrâncias e até mesmo

vazios internos.

efap.ag.

ap.ag.ef

CAPabs

100D%CAP

−

(4.4.2)

Com a intenção de melhor avaliar a porosidade do agregado de escória foram

realizadas tomografias computadorizadas no próprio grão do material e em cps

moldados com escória em diferentes proporções (M1, M2 e M3) e sem escória

(mistura comparativa).

Segundo BRAZ (1993): “a tomografia computadorizada é um processo que, utiliza a

radiação para obter a reconstrução, de uma seção transversal de um corpo, quando

um certo número de projeções unidimensionais, em diversos ângulos são

processadas; e desta forma, obtêm-se uma imagem bidimensional ou tridimensional

da seção transversal do corpo”. Para este estudo, as tomografias foram realizadas em

um Sistema Tomográfico Auxiliado por Computador (STAC) ou equipamento de feixe

paralelo, do laboratório de engenharia nuclear da COPPE/UFRJ.

Os resultados estão nas Figuras 4.4.1 e 4.4.2 para o grão de escória e para os cps,

respectivamente. É possível perceber através da tomografia realizada no grão da

escória que a mesma é bastante porosa e possui até vazios internos. Percebe-se,

para as tomografias realizadas nos cps, que existe diferença de cores nos mesmos.

Esta diferença de cores é o chamado coeficiente de atenuação que está relacionado

com a facilidade ou a dificuldade que o feixe de fótons emitido teve para passar

através do corpo analisado. Este coeficiente é correlacionado com a densidade do

material. Logo, os pontos mais claros representam maiores densidades, enquanto que

os mais escuros, menores densidades. Como era de se esperar, quanto maior o

percentual de escória, maior a quantidade de pontos claros devido a maior densidade

dos grãos de escória de aciaria.

Figura 4.4.1: Tomografia computadorizada do grão da escória utilizada neste estudo

(a) M1 - 40,0% de escória (b) M2 - 60,0% de escória

Figura 4.4.2: Tomografias computadorizadas dos corpos de prova moldados com e

sem a utilização de escória de aciaria como agregado

Percebe-se com os resultados obtidos que a dosagem de misturas asfálticas com

utilização de escória deve ser reavaliada. A maneira tradicional de obtenção do TP

para este tipo de mistura deve ser repensada devido à heterogeneidade e a absorção

do rejeito. Embora não tenha sido realizada uma comparação de custos, parte do que

se economizaria com a redução do preço do agregado seria perdido com o aumento

do teor de ligante. Há de se computar, porém, o ganho ambiental não quantificado.

Este ganho é justificado por atividades que provavelmente serão canceladas com a

utilização deste rejeito na pavimentação rodoviária, são elas: disposição da escória de

aciaria, aumento da degradação ambiental provocada pelas pedreiras, etc.

Apesar dos resultados encontrados terem sido bastante dispersos, para a maioria das

misturas investigadas, as dosagens realizadas serviram como aprendizado para uma

visão crítica dos resultados encontrados. Os resultados indicam que, para este tipo de

mistura a preocupação deva estar concentrada nos parâmetros mecânicos e não nos

volumétricos. A caracterização mecânica destas misturas é o foco da discussão no

próximo capítulo. Outro fato que deve ser levado em consideração é que a densidade

aparente dos cps foi obtida da maneira tradicional (DNER – ME 117/87), isto é, com a

superfície apenas seca e não com a superfície seca e saturada (ASTM D 2726 – 00).

Este fato tem influência direta na obtenção dos parâmetros volumétricos e talvez na

variação dos mesmos.

CAPÍTULO 5

5 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA

A partir de 1970, o dimensionamento de pavimentos deixou de ser unicamente por

métodos empíricos, surgindo as primeiras análises do comportamento estrutural dos

pavimentos baseados no cálculo de tensões e deformações por meio da utilização de

programas computacionais que facilitaram a análise mecanística dos sistemas em

camadas (as fórmulas e ábacos já existiam antes da década de 70). O método

correntemente utilizado no Brasil, introduzido pelo professor Murilo Lopes de Souza,

desde 1966 para o dimensionamento de pavimentos é baseado no ensaio

California

Bearing Ratio

(CBR). O CBR é um ensaio de capacidade de carga estático que

compara os valores obtidos para os materiais em uso com um material padrão (brita

graduada oriunda da Califórnia). O comportamento estrutural dos pavimentos é melhor

avaliado a partir dos estudos sobre a deformabilidade elástica ou resiliência dos

materiais. Estes estudos foram motivados pela vontade de se obter um

dimensionamento mais racional a partir do entendimento do pavimento como uma

estrutura e um sistema de camadas (MEDINA, 1997; SOARES, 2000; MOTTA, 2002).

A caracterização mecânica das misturas asfálticas utilizadas no presente estudo foi

feita através dos ensaios de Resistência à Tração estática por compressão diametral

(RT), Módulo de Resiliência (MR), fadiga por compressão diametral a tensão

controlada e resistência à tração retida por umidade induzida. As M1, M2, M3 e M6,

com 40,0%; 60,0%; 80,0% e 40,0% de escória, respectivamente, foram caracterizadas

mecanicamente com cps moldados no TP. As M4 e M5 (com 40,0% e 60,0% de

escória, respectivamente) foram caracterizadas mecanicamente com cps moldados

nos teores utilizados para a dosagem Marshall, conforme mencionado no Capítulo 4. A

M6 foi ainda caracterizada através do ensaio de resistência à tração retida por

umidade induzida, para avaliação da adesividade.

5.1 - RESISTÊNCIA À TRAÇÃO ESTÁTICA POR COMPRESSÃO DIAMETRAL

(DNER – ME 138/94)

O ensaio de Resistência à Tração por compressão diametral (RT) foi desenvolvido

pelo professor Lobo Carneiro, em 1943 (CARNEIRO, 1943), para avaliar misturas de

concreto-cimento e posteriormente passou a ser utilizado também para misturas

asfálticas (MEDINA, 1997). Apesar deste ensaio não medir diretamente a resistência à

tração, o mesmo é de fácil execução. Duas forças concentradas diametralmente

opostas são aplicadas no cp e geram (perpendicular ao diâmetro) tensões de tração

(MEDINA, 1997; FALCÃO e SOARES, 2002) (Figura 5.1.1(a)). A prensa para

realização deste ensaio é uma prensa Marshall adaptada para tal, conforme Figura

5.1.1(b).

(a) Esquema do ensaio de RT

(DNER, 1994g)

(b) Prensa utilizada para o ensaio de RT

Figura 5.1.1 - Esquema do ensaio de Resistência à Tração indireta (RT) e

equipamento usado nesta pesquisa

Para realização do ensaio de RT, geralmente o cp é posicionado entre dois frisos

metálicos de 1,27 cm de largura (para o caso de haver desvios no contato cp-prato da

prensa) e com curvatura para melhor acomodação do mesmo. FALCÃO e SOARES

(2002) discutiram a influência do friso e da temperatura no resultado deste ensaio.

Avaliaram, dentre outras, misturas asfálticas, e utilizaram quatro tipos diferentes de

friso e duas temperaturas para a realização do ensaio. Concluíram que os ensaios

realizados com frisos de diferentes larguras e em diferentes temperaturas

apresentaram valores de RT variáveis. Porém, para misturas asfálticas, a variação

encontrada pode ser considerada muito pequena (inferior a 10,0%). Para este estudo,

isto não deve ser levado em consideração, visto que se trata de uma comparação

entre misturas ensaiadas com frisos idênticos e na mesma temperatura (25ºC).

A aparelhagem necessária para a realização deste ensaio é (DNER, 1994i):

• Prensa mecânica com sensibilidade inferior ou igual a 19,60 N (2 kgf) e velocidade

do êmbolo de 0,80 ± 0,1 mm/s;

• Estufa para condicionamento dos cps;

• Sistema de refrigeração capaz de manter a temperatura de ensaio (25ºC);

• Paquímetro para medição das dimensões dos cps.

O ensaio é realizado da seguinte forma:

• Medir a altura (H) (média de quatro determinações) e o diâmetro (D) (média de três

determinações) do cp com o paquímetro;

• Submeter o cp a um condicionamento em estufa, por duas horas, a 25ºC;

• Colocar o cp entre os dois frisos metálicos;

• Ajustar os pratos da prensa para manter a posição do cp;

• Aplicar a carga progressivamente (0,80 ± 0,1 mm/s) até que ocorra a ruptura do cp;

• Realizar a leitura no extensômetro (L);

• Multiplicar o valor da leitura pela constante do anel dinamométrico da prensa

utilizada para obtenção da carga de ruptura (F). Para este estudo a prensa

utilizada possui um anel com constante igual a 1,8633.

O valor de RT é dado pelas Equações 5.1.1:

πDH

RT =

(kgf/cm

) (5.1.1)

Onde: F é dada em unidade de força;

D e H são dados em unidade de distância.

No presente estudo, os ensaios de RT foram realizados com cps moldados em

laboratório (altura de 6,35 cm ± 0,13 cm e diâmetro de 10 cm ± 0,02 cm) e

condicionados a 25ºC. Estes cps foram submetidos a este ensaio ainda “virgens”, isto

é, não passaram antes pelo ensaio de MR. Para as M1, M2 e M3, os cps moldados

com os teores de 6,0%, 7,0% e 6,8% de ligante, respectivamente, foram submetidos

aos ensaios. A média aritmética e o desvio padrão dos resultados de três cps para os

ensaios de RT, tanto das misturas com escória em estudo quanto da mistura

comparativa, nos TPs, estão na Tabela 5.1.1. Estes resultados podem ser melhor

visualizados na Figura 5.1.2.

Tabela 5.1.1 - Resultados de Resistência à Tração indireta (RT) para as misturas 1, 2

e 3 (40,0%, 60,0% e 80,0% de escória, respectivamente) e comparativa

Mistura

RT (MPa, 25ºC)

M1 M2 M3 Comparativa

Média 0,77 0,62 0,76 0,75

Desvio Padrão 0,02 0,01 0,03 0,07

0,75

0,77

0,62

0,76

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

Comparativa Mistura 1 Mistura 2 Mistura 3

RT Média (MPa)

Figura 5.1.2 - Valores de Resistência à Tração indireta (RT) para as misturas 1, 2, 3

(40,0%, 60,0% e 80,0% de escória, respectivamente) e comparativa

Com relação aos valores de RT, em ordem decrescente, para as três misturas, os

valores encontrados para a M1 > M3 > M2. As M1 e M3 apresentaram valores

superiores ao da mistura comparativa e a M2 apresentou valor inferior ao da referida

mistura. Os valores dos desvios padrões encontrados para os resultados dos ensaios

de RT das misturas com escória foram inferiores àquele encontrado para a mistura

comparativa, na seguinte ordem desvio padrão M2 < M1 < M3 < mistura comparativa.

A comparação dos valores de RT não pode ser dissociada dos teores de ligante. De

certa forma é esperado que misturas com teores de ligante maiores, como é o caso da

M2, apresentem menor resistência estática, uma vez que o ligante lubrifica o

intertravamento entre os agregados.

Para as M4 e M5 (40,0% e 60,0%, respectivamente) os cps moldados nos cinco teores

adotados na dosagem Marshall foram submetidos aos ensaios de RT. O número de

cps (n) utilizados nestes ensaios foi variável devido a grande dispersão encontrada

nos resultados. Para alguns teores chegaram a ser ensaiados nove cps. A média

aritmética e o desvio padrão dos resultados para os ensaios de RT das M4 e M5, bem

como da comparativa, estão nas Tabelas 5.1.2 e 5.1.3, respectivamente. Estes

resultados podem ser melhor visualizados nas Figuras 5.1.3 e 5.1.4 para as duas

misturas, respectivamente.

Tabela 5.1.2 - Resultados de Resistência à Tração indireta (RT) para a mistura 4

(40,0% de escória) e comparativa

Teor de CAP (%)

Mistura 4 Comparativa

RT (MPa, 25ºC)

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 6,4

Média 1,19 0,81 0,83 1,14 1,12 0,75

Desvio Padrão 0,06 0,10 0,07 0,07 0,07 0,07

N 3 4 4 3 3 3

Tabela 5.1.3 - Resultados de Resistência à Tração indireta (RT) para a mistura 5

(60,0% de escória) e comparativa

Teor de CAP (%)

Mistura 5 Comparativa

RT (MPa, 25ºC)

6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 6,4

Média 0,79 0,72 0,78 0,60 0,48 0,75

Desvio Padrão 0,12 0,14 0,07 0,12 0,07 0,07

n 9 9 6 9 9 3

Com relação aos resultados de RT da M4, para todos os teores de CAP foram

encontrados valores superiores ao da mistura comparativa. O maior valor de RT

encontrado foi para a mistura com 5,0% de CAP. Os desvios padrões para os valores

de RT foram todos inferiores ao encontrado para a mistura comparativa. Para a M4 há

diminuição do valor de RT com o aumento do teor de CAP de 5,0% para 5,5% e

posterior aumento deste valor para os teores acima de 5,5% de CAP, sendo que para

os teores de 6,5% e 7,0% os valores de RT são praticamente iguais. As variações nas

médias dos valores de RT para os diferentes teores de CAP e a dispersão dos valores

podem ser melhor visualizados nas Figuras 5.1.3(a) e (b), respectivamente. Para esta

mistura (M4), observou-se que a grande dispersão nos parâmetros volumétricos não

se estendeu para este tipo de caracterização.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

% CAP

RT Média (MPa)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

CAP

RT (MPa)

(a) RT médio × % CAP para a M4

(b) Variação dos valores de RT para a M4

Figura 5.1.3 - Variação dos valores de Resistência à Tração indireta (RT) versus

teores de CAP para a mistura 4 (40,0% de escória)

Com relação aos resultados de RT da M5, para as misturas com os teores de CAP de

6,0% e 7,0% os valores encontrados foram superiores ao da mistura comparativa, o

mesmo não ocorrendo para as misturas com os teores de 6,5%, 7,5% e 8,0% de CAP.

Os desvios padrões para os valores de RT foram inferiores ao encontrado para a

mistura comparativa para os valores de 7,0% e 8,0% de CAP e superiores (porém

próximos) para os teores restantes. Para a M5, o valor de RT diminuiu com o aumento

do teor de CAP de 6,0% para 6,5%. Com a continuação da caracterização mecânica, o

aumento do teor de CAP de 6,5% para 7,0% levou a um aumento do valor de RT. A

partir deste teor (7,0% de CAP) o valor de RT tendeu a diminuição com o aumento do

teor de CAP. As variações nas médias dos valores de RT para os diferentes teores de

CAP e a dispersão dos valores podem ser melhor visualizados nas Figuras 5.1.4(a) e

(b), respectivamente.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

% CAP

RT Média (MPa)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

% CAP

RT (MPa)

(a) RT médio × % CAP para a M5

(b) Variação dos valores de RT para a M5

Figura 5.1.4 - Variação dos valores de Resistência à Tração indireta (RT) versus

teores de CAP para a mistura 5 (60,0% de escória)

Os ensaios de RT para a M6 (60,0% de escória) foram realizados no LMP/DET/UFC e

na COPPE/UFRJ. Os resultados estão apresentados na Tabela 5.1.4 e ilustrados na

Figura 5.1.5. O tamanho das amostras (n) foi variável, três determinações na UFC e

quinze determinações na COPPE/UFRJ. O número de determinações na COPPE foi

muito superior ao da UFC porque foram realizados ensaios também com cps após o

ensaio de MR.

Tabela 5.1.4 - Resultados de Resistência à Tração indireta (RT) para a mistura 6

(40,0% de escória), ensaiada na UFC e na COPPE, e comparativa

RT (MPa, 25ºC)

Mistura

Média

Desvio

Padrão

M6 (UFC) 1,42 0,20 3

M6 (COPPE) 1,29 0,19 15

Comparativa 0,75 0,07 3

0,75

1,42

1,29

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

Comparativa M6 - UFC M6 - COPPE

RT Média (MPa)

Figura 5.1.5 - Valores de Resistência à Tração indireta (RT) para mistura 6 (40,0% de

escória), ensaiada na UFC e na COPPE, e comparativa

Esta mistura (M6) apresentou os maiores valores de RT e também de desvios

padrões, se comparada com as outras misturas experimentais e com a mistura

comparativa (exceto para o teor de 5,0% de CAP da M4). A mesma mistura (M6)

apresentou diferentes valores de RT para equipamentos e operadores diferentes,

porém próximos. Os resultados obtidos na UFC foram apenas 9,0% superiores aos

obtidos na COPPE/UFRJ. O valor do desvio padrão para a M6 para os ensaios

realizados na UFC também foi superior ao encontrado para os ensaios realizados na

COPPE/UFRJ. O fato dos tamanhos das amostras serem diferentes tem que ser

levado em consideração, principalmente porque esta mistura foi confeccionada com

rejeito. O menor desvio padrão para as determinações realizadas na COPPE/UFRJ

reforça a hipótese de que os cps não estão sendo danificados durante o ensaio de

MR, apesar da não limitação da carga em 30,0% do valor de RT (como será discutido

no próximo item deste capítulo).

Já era esperado que a M6 apresentasse maiores valores de RT, se comparada com

as outras misturas experimentais, porque a mesma contém o menor teor de ligante.

Quanto menor o teor de ligante, maior o efeito do intertravamento dos agregados. Este

efeito é ainda mais significativo para esta mistura que utilizou apenas agregados de

escória porosos, que também são os mais rugosos. Por se tratar de uma mistura com

utilização de rejeito, o tamanho da amostragem tem que ser repensado, um maior

número de cps precisa ser ensaiado para que comparações possam ser mais

fundamentadas.

5.2 - MÓDULO DE RESILIÊNCIA (DNER - ME 133/94)

O Módulo de Resiliência (MR) é o módulo elástico das misturas asfálticas medido sob

carga repetida e em Compressão Diametral (CD) (Figura 5.2.1). Este ensaio é

realizado por compressão diametral com frisos de carga, com aplicação de carga

durante 0,1 s e repouso de 0,9 s. O MR para misturas asfálticas é dado pela relação

entre a tensão de tração (σ

) e a deformação específica recuperável total

correspondente à tensão aplicada (ε

), para este caso a 25ºC (Equação 5.2.1). A

norma brasileira não distingue deformação específica instantânea de deformação

específica total, como é feito na norma americana (ASTM D 4123, 1982). A

importância da realização deste ensaio reside no fato de que o mesmo é utilizado, no

Brasil, para o cálculo de tensões e deformações nos pavimentos e posterior

dimensionamento dos mesmos.













(5.2.1)

(a) Equipamento CD usado nesta

pesquisa (LMP/DET/UFC)

(b) Esquema equipamento CD

(DNER, 1994h)

Figura 5.2.1 - Equipamento para ensaio de Módulo de Resiliência (MR) de misturas

asfálticas usado nesta pesquisa

A aparelhagem necessária para realização deste ensaio é a seguinte:

• Sistema pneumático de carregamento;

• Sistema de medição de deformação da amostra;

• Estrutura de suporte com acessórios.

O ensaio é realizado da seguinte forma (DNER, 1994h):

• Posicionar o cp;

• Ajustar o

Linear Variable Differential Transformer (LVDT). Para este estudo o LVDT

foi ajustado em 1 volt;

• Assentar o pistão de carga;

• Condicionar o cp;

• Registrar as deformações para 300, 400 e 500 aplicações da carga vertical

repetida.

O MR é determinado pela Equação (5.2.2):

0,2692)+(0,9976µ

∆H

=MR (kgf/cm

) (5.2.2)

Onde: F = carga vertical repetida aplicada diametralmente no cp (kgf);

∆ = deformação elástica ou resiliente registrada para 300, 400 e 500 aplicações

da carga F, (cm);

H = altura do cp (cm);

µ = coeficiente de Poisson (0,30 é o valor recomendado).

Apesar de saber que o MR varia com o tempo de carregamento e com a temperatura

de ensaio, além de não ser um parâmetro puramente elástico (SOUZA e SOARES,

2003), estes fatos não foram levados em consideração. Para este estudo foi feita uma

comparação entre misturas experimentais (com escória de aciaria) e uma mistura

comparativa (com agregados convencionais) sendo que os dois tipos de mistura foram

ensaiados sob as mesmas condições.

Os ensaios de MR foram realizados com cps moldados em laboratório (altura de 6,35

cm ± 0,13 cm e diâmetro de 10 cm ± 0,02 cm) e condicionados a 25ºC. Estes ensaios

foram realizados sem considerar o valor de RT. Esta decisão foi tomada devido à alta

variação encontrada nos valores de RT e à baixa sensibilidade dos LVDTs (0,006 mm)

do equipamento de compressão diametral do LMP/DET/UFC. Para que o LVDT fosse

sensibilizado era necessária uma carga superior a 30,0% do valor de RT,

recomendado pela norma (DNER – ME 133/94). Esse procedimento é comumente

adotado na COPPE/UFRJ. Outras normas, como a ASTM D 4123 (1982) estabelece

este limite de carga em função da espessura do cp. Para as M1, M2 e M3 (com 40,0%,

60,0% e 80,0% de escória, respectivamente), os cps moldados com os teores de

6,0%, 7,0% e 6,8% de ligante (TPs), respectivamente, foram submetidos aos ensaios.

A média aritmética e o desvio padrão dos resultados de três cps para os ensaios de

MR, tanto das misturas em estudo quanto da comparativa, estão na Tabela 5.2.1, que

também apresenta os valores de MR/RT. Estes resultados podem ser melhor

visualizados na Figura 5.2.2.

Tabela 5.2.1 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para as misturas 1, 2 e 3

(40,0%, 60,0% e 80,0% de escória, respectivamente) e comparativa

MR (MPa, 25ºC) MR/RT

Mistura

Média Desvio Padrão

M1 2.276 220 2.520

M2 1.836 34 2.944

M3 2.188 607 2.977

Comparativa 2.051 264 2.728

2.188

1.836

2.276

2.051

500

1000

1500

2000

2500

Comparativa Mistura 1 Mistura 2 Mistura 3

MR Média (MPa)

Figura 5.2.2 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para as misturas 1, 2 e 3 (40,0%,

60,0% e 80,0% de escória, respectivamente) e comparativa

Com relação aos resultados dos ensaios de MR, os valores encontrados foram: M1 >

M3 > M2. Estes resultados já eram, de certa forma, esperados devido a maior

quantidade de ligante na M2. As M1 e M3 apresentaram valores superiores, mas

próximos, ao da mistura comparativa e a M2 apresentou valor inferior. Com relação

aos desvios padrões desses ensaios, as M1 e M2 apresentaram valores inferiores ao

da comparativa, enquanto o valor encontrado para a M3 foi superior, indicando que

maior percentual de escória acarreta maior variabilidade nos resultados deste ensaio.

Os desvios padrões apresentaram-se na seguinte ordem: M2 < M1 < mistura

comparativa < M3.

Para verificar se havia alguma variação nos valores de MR quando o cp é colocado

em diferentes posições, para a M3 os ensaio de MR foram realizados a 0º e a 90º. Os

valores encontrados foram bastante próximos nos dois casos (Tabela 5.2.2). A maior

diferença encontrada entre os valores foi de 1,5%. Isto indica que a carga aplicada

durante o ensaio não provocou fissuras no cp capazes de comprometer os valores de

MR.

Tabela 5.2.2 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) obtidos em corpos de prova

ensaiados em duas posições (0º e 90º) para a mistura 3 (80,0% de escória)

MR (MPa, 25ºC)

CP Nº

0º 90º

01 2.617 2.656

02 1.759 1.780

As relações MR/RT para as M2 e M3 foram superiores a da comparativa, indicando

um valor de MR cerca de 3.000 vezes superior ao de RT. Esta relação ficou bem

próxima da variação (de 3.000 a 3.500) para misturas na faixa C do DNER para CBUQ

que utilizam o CAP 50/60 oriundo do petróleo Bachaquero (SOARES

et al., 2002). Já

para a M1, o valor da relação MR/RT encontrado foi inferior ao da mistura

comparativa, cerca de 7,5%. Apesar desta pesquisa utilizar petróleo de origem

Fazenda Alegre, a comparação é válida visto que o petróleo Bachaquero foi utilizado

com sucesso em várias pesquisas realizadas no LMP/DET/UFC, e possui

características semelhantes.

Para as M4 e M5, os cps moldados nos teores utilizados para a dosagem Marshall

foram submetidos aos ensaios de MR. O número de cps (n) utilizados para estes

ensaios foi superior a três (para alguns teores chegou-se a realizar seis ensaios),

sendo variável conforme a dispersão encontrada nos resultados. A média aritmética e

o desvio padrão dos resultados dos cps para os ensaios de MR, das duas misturas

estão nas Tabelas 5.2.3 e 5.2.4, respectivamente. Os valores de MR/RT também

estão nestas referidas tabelas. Estes resultados são apresentados nas Figuras 5.2.3 e

5.2.4 para as duas misturas.

Tabela 5.2.3 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para a mistura 4 (40,0% de

escória)

MR (MPa, 25ºC)

Teor de CAP (%)

Média Desvio Padrão

MR/RT n

5,0 3.014 556 2.520 3

5,5 2.062 1.005 1.447 6

6,0 2.361 1.147 1.891 6

6,5 3.445 220 3.039 3

7,0 2.770 249 2.482 3

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

% CAP

MR Média (MPa)

1000

2000

3000

4000

5000

5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

% CAP

MR (MPa)

(a) MR médio por teor de CAP (b) Todos os valores de MR por teor de CAP

Figura 5.2.3 - Variação dos valores de Módulo de Resiliência (MR) para a mistura 4

(40,0% de escória)

Com relação aos resultados de MR para a M4, para todos os teores de CAP foram

superiores ao da mistura comparativa (2.051 MPa). O maior valor foi para a mistura

com 6,5% de CAP. Os desvios padrões para os valores de MR foram inferiores ao da

comparativa (264) para as misturas com os teores de 6,5% e 7,0% de CAP e

superiores ao da comparativa para as misturas com os teores de 5,0%, 5,5% e 6,0%

de CAP. Os valores da relação MR/RT apresentaram-se na seguinte ordem: mistura

com 5,5% < mistura com 6,0% < mistura 7,0% < mistura 5,0% < mistura comparativa

(2.728) < mistura 6,5%. A mistura que se apresentou mais próxima da variação (de

3.000 a 3.500) para misturas na faixa C do DNER para CBUQ que utilizam o CAP

50/60 oriundo do petróleo Bachaquero (SOARES

et al., 2002) foi aquela com 6,5% de

CAP.

Com relação às médias dos valores de MR encontradas para a M4, o aumento do teor

de CAP de 5,0% para 5,5% levou a uma diminuição do valor de MR (31,5%), sendo

este o menor valor de MR encontrado. O aumento do teor de CAP de 5,5% para 6,0%

e de 6,0% para 6,5% acarretou um aumento do valor de MR. A mistura com 6,5% de

CAP apresentou o maior valor de MR e este por sua vez voltou a cair com o aumento

do teor de CAP de 6,5% para 7,0% (Figura 5.2.3 (a)).

Apesar do tamanho das amostras (n) serem diferentes para os diferentes percentuais

de CAP é possível ter idéia da variação dos valores de MR encontrados para a M4,

como é possível observar na Figura 5.2.3 (b). A mistura com teor de ligante de 6,0%

apresentou as maiores variações, sendo encontrada uma diferença de até 69,0%, em

relação à média dos valores. A mistura com teor de 6,5% foi a que apresentou menor

variação em relação à média.

Tabela 5.2.4 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para a mistura 5 (60,0% de

escória)

MR (MPa, 25ºC)

Teor de CAP (%)

Média Desvio Padrão

MR/RT n

6,0 2.044 331 2.712 6

6,5 1.886 863 3.142 6

7,0 1.617 328 2.269 6

7,5 1.564 306 3.566 6

8,0 1.408 397 3.688 6

500

1000

1500

2000

2500

6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

%CAP

MR Médio (MPa)

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

% CAP

MR (MPa)

(a) MR médio por teor de CAP (b) Todos os valores de MR por teor de CAP

Figura 5.2.4 - Variação dos valores de Módulo de Resiliência (MR) para a mistura 5

(60,0% de escória)

Para a M5, os valores de MR para todos os teores de CAP apresentaram valores

inferiores ao da mistura comparativa (2.051 MPa), sendo que para o teor de 6,0% são

praticamente iguais. Vale ressaltar que para esta dosagem, os valores encontrados

para a mistura com 7,0% de CAP foram diferentes dos encontrados para a M2. Os

desvios padrões para os valores de MR foram todos superiores ao encontrado para a

mistura comparativa (264). Os valores da relação MR/RT apresentaram-se na seguinte

ordem crescente: mistura com 7,0% < mistura com 6,0% < mistura comparativa

(2.728) < mistura 6,5% < mistura 7,5% < mistura 8,0%. A mistura que se apresentou

mais próxima da variação (de 3.000 a 3.500) para misturas na faixa C do DNER para

CBUQ que utilizam o CAP 50/60 oriundo do petróleo Bachaquero (SOARES

et al.,

2002), anteriormente utilizado nas pesquisas do LMP/DET/UFC, foi aquela com 6,5%

de CAP.

Com relação às médias dos valores de MR encontradas para a M5, o aumento do teor

de CAP levou a uma diminuição do valor de MR. O maior valor de MR encontrado foi

para a mistura com 6,0% de CAP e o menor para a mistura com 8,0% de CAP (Figura

5.2.4(a)). Isto pode ser considerado razoável, uma vez que o ligante torna a mistura

menos rígida. Os valores de MR mostraram-se bastante variáveis, como é possível

observar na Figura 5.2.4(b). A mistura com teor de ligante de 6,5% apresentou as

maiores variações, sendo encontrada uma diferença de até 80,0%, em relação à

média dos valores. A mistura com teor de 6,0% foi a que apresentou menor variação.

O que foi observado para as misturas onde o ensaio de MR foi feito com cps ainda na

dosagem Marshall (M4 e M5) é que existe uma zona onde a dispersão dos valores é

maior. Para a M4 entre os teores de 5,5% e 6,0% de CAP e para a M5 entre os teores

de 6,0% e 6,5% de CAP. Os TPs para esta duas misturas estão localizados entre

estes teores. Para a M4 o TP foi de 5,7% e para a M5 o TP foi de 6,2%. Isto sugere

que para um teor baixo de ligante o mesmo penetra os poros da escória graúda

(Figura 5.2.5(a)), sobrando pouco ligante para o recobrimento total dos agregados. O

aumento do teor de ligante, mas em pequena quantidade (0,5% por exemplo) conduz

ao preenchimento dos poros da escória, porém ainda em quantidade insuficiente para

compensar a heterogeneidade deste rejeito (Figura 5.2.5(b)). Com a continuação do

aumento do teor de ligante, a heterogeneidade deixa de ser relevante e a dispersão

dos valores, conseqüentemente, diminui (Figura 5.2.5(c)). Este fato é um indicativo de

que, a fim de minimizar a dispersão nos resultados, o TP poderia ser aumentado.

(a) Pouco ligante (b) Maior quantidade

de ligante, mas ainda

insuficiente

quantidade suficiente

Figura 5.2.5 Esquema da interação ligante-agregados para a compensação da

heterogeneidade do material

Caso os TPs fossem acrescidos do valor de ligante absorvido pelos agregados, os

novos valores ficariam os contidos na Tabela 5.2.5. Percebe-se que os TPs ficariam

bem superiores ao obtido para a mistura comparativa (6,4%), porém bastante

próximos do obtido para a mistura do projeto COPPETEC (1996) (9,0%) que utilizou

escória proveniente da CSN e CAP 20. Os resultados obtidos no projeto COPPETEC

(1996) serão discutidos adiante no item 5.5 deste Capítulo.

Tabela 5.2.5 - Valores de Teor de Projeto (TP) convencional e acrescido do percentual

de ligante absorvido, para as misturas experimentais com escória de aciaria

Misturas

TP (%)

M1 M2 M3 M4 M5 M6

TP convencional 6,2 7,0 6,7 5,7 6,2 6,2

TP conv. + % ligante absorvido 9,1 9,9 9,6 8,6 9,1 9,1

Os ensaios de MR para a M6 (40,0% de escória) foram realizados no LMP/DET/UFC e

na COPPE/UFRJ para verificar a dispersão dos resultados para diferentes

equipamentos e operadores. Os resultados estão apresentados na Tabela 5.2.6 e

podem ser visualizados na Figura 5.2.6.

100

Tabela 5.2.6 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para a mistura 6 (40,0% de

escória), ensaios realizados na UFC e na UFRJ, e comparativa

MR (MPa, 25ºC)

Mistura

Média Desvio Padrão

MR/RT n

M6 (LMP/DET/UFC) 4.715 1.293 3.322 3

M6 (COPPE/UFRJ) 4.626 1.136 4.177 10

Comparativa 2.051 264 2.728 3

2.051

4.715

4.626

1000

2000

3000

4000

5000

Comparativa M6 - UFC M6 - COPPE

MR Média (MPa)

Figura 5.2.6 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) para as misturas comparativa e 6

(40,0% de escória), ensaiada na UFC e na UFRJ

A M6 (40,0% de escória) apresentou valores de MR superiores a todas as outras

misturas experimentais e também à comparativa. Já era esperado, devido aos valores

encontrados nos ensaios de RT, que os valores de MR também fossem mais altos

para esta mistura. Os valores obtidos para os ensaios realizados na UFC e na COPPE

mostraram-se bastante próximos, apesar do tamanho da amostra ter sido diferente

para estes dois locais. Esperava-se que para esta mistura os valores de MR fossem

menos dispersos, devido à pequena dispersão encontrada nos parâmetros

volumétricos, porém os valores dos desvios padrões não indicam isso. Esta mistura

apresentou os maiores valores de desvios padrões, se comparada com as outras

misturas experimentais e com a comparativa. A relação MR/RT para os ensaios

realizados no LMP/DET/UFC foi inferior (cerca de 20,0%) à encontrada para os

ensaios realizados na COPPE/UFRJ. Isto já era esperado visto que o valor de RT

encontrado no LMP/DET/UFC foi superior ao encontrado na COPPE/UFRJ.

101

Para verificar a correta execução do ensaio e também se o procedimento adotado

(não limitação do valor de carga a ser aplicada em 30,0% do valor de RT), o ensaio foi

realizado para o mesmo cp em três posições diferentes. Os resultados podem ser

observados na Tabela 5.2.7. O baixo desvio padrão encontrado indica que para um

mesmo cp os resultados são muito próximos.

Tabela 5.2.7 - Valores de Módulo de Resiliência (MR) obtidos em um corpo de prova

ensaiado em três posições (0º, 90º e 180º) para a mistura 6 (40,0% de escória)

MR (MPa, 25ºC)

CP Nº

0º 90º 180º Média Desvio padrão

01 5.532 5.493 5.401 5.475 67

Os altos valores de MR encontrados para a M6 podem ter sido influenciados pelo

condicionamento de curto prazo (duas horas em estufa) ao qual esta mistura foi

submetida. Outros autores já constataram que misturas utilizando escória de aciaria

como agregado têm seus valores de MR aumentados quando submetidas a

condicionamentos de curto e longo prazo (COPPETEC, 1996).

Apesar dos valores de MR para esta mistura em questão serem altos, não é correto

afirmar que quanto maior o valor do MR melhor será esta mistura. O ideal é que a

mistura tenha flexibilidade para suportar as solicitações do tráfego e resistência para

combater o trincamento precoce. Um dos prováveis fatores causadores da grande

dispersão encontrada é que acredita-se que os grãos devem apresentar além de

forma e textura, resistências diferentes. Outro fato deve ainda ser levado em

consideração, uma vez que percebeu-se, apesar da separação manual feita para esta

mistura, o material apresenta grãos mistos (porosos e lisos) o que tornou quase

impossível a completa separação dos grãos da escória. A presença deste tipo de grão

pode ter influenciado estes resultados.

5.3 - FADIGA POR COMPRESSÃO DIAMETRAL A TENSÃO CONTROLADA

A vida de fadiga a tensão controlada é o número de aplicações de um certo valor de

carga necessário para levar a amostra à ruptura (PINTO, 1991; MEDINA, 1997). Este

ensaio pode ser realizado no mesmo equipamento utilizado para o ensaio de MR,

também com temperatura controlada. O ensaio de fadiga pode ser realizado a tensão

ou a deformação controlada. O primeiro caso é mais comum no Brasil e não necessita

da utilização do LVDT e nem do suporte para fixação do mesmo. A carga aplicada

102

deve induzir tensões normais horizontais de 10,0% a 50,0% do valor de RT (MEDINA,

1997). Esta carga é aplicada com duração de 0,1 s e descanso de 0,9 s. A deformação

aumenta até o rompimento completo da amostra. Para o caso da deformação

controlada, a deformação é mantida constante e a tensão inicial é diminuída até o final

do ensaio, que é convencionado por alguns autores como a diminuição do módulo de

rigidez (S

) em 50,0% do valor inicial (EPPS e MONISMITH, 1969

; PRONK e HPMAN,

1990

; TAYEBALI et al., 1993

***

apud LOUREIRO, 2003).

O objetivo deste ensaio é simular a passagem de roda de um veículo no pavimento e é

de fundamental importância, visto que a maioria dos defeitos encontrados nos

pavimentos brasileiros é devido ao fenômeno da fadiga (PINTO, 1991; MEDINA,

1997). A vida de fadiga pode ser expressa pelas Equações 5.3.1 e 5.3.2. A Figura

5.3.1 mostra um esquema da diferença de tensões no centro da amostra e o

posicionamento do cp para a realização do ensaio na prensa de compressão diametral

de ensaios dinâmicos.













= (5.3.1)

∆σ

K N













(5.3.2)

Onde: N = vida de fadiga;

= tensão de tração repetida atuante;

∆σ = diferença entre as tensões de compressão e tração no centro da amostra;

K, n = constantes determinadas a partir dos resultados de laboratório, em

escalas logarítmicas.

EPPS, J.A. e C.L. MONISMITH, 1969, Influence of Mixture Variables on the Flexural Fatigue Properties of

Asphalt Concrete. Journal of

Association of Asphalt Paving Technologists, Volume 38.

PRONK, A.C. e P.C. HPMAN, 1990, Energy Dissipation: The Leading Factor of Fatigue. In Highway

Research: Sharing the Benefits.

Proceedings of a Conference of the United States Strategic Highway

Research Program

, London, p. 255-267.

***

TAYEBALI, A.A.; J.A. DEACON; J.S. COPLANTZ e C.L. MONISMITH, 1993, Modeling Fatigue

Response of Asphalt-Aggregate Mixtures.

Proceedings Journal of the Association of Asphalt Paving

Technologists

, AAPT, v. 62, p. 285-421.

103

σ= −3σ

(a) Esquema ∆σ no centro da amostra

(PINTO, 1991; MEDINA, 1997)

(b) Posicionamento cp para o ensaio de

vida de fadiga (LOUREIRO, 2003)

Figura 5.3.1 - Esquema da diferença de tensões e do equipamento utilizado para o

ensaio de vida de fadiga

O ideal seria realizar o ensaio a deformação controlada a fim de avaliar a evolução do

dano sofrida no material durante o ensaio de fadiga (PINTO, 1991; MEDINA, 1997).

Porém, este tipo de ensaio é mais difícil de ser executado devido à necessidade de se

ajustar a força aplicada com os desvios da deformação (MEDINA, 1997). PINTO

(1991) determinou o MR nas primeiras aplicações de carregamento, para cada nível

de tensão. Com isso, expressou a vida de fadiga em função da deformação resiliente

inicial. LOUREIRO (2003) propôs o estabelecimento de um critério de ruptura no

ensaio realizado a tensão controlada que não fosse a ruptura total do cp. Este critério

foi a observação da formação das primeiras trincas (através da medida de

deformações no ensaio a tensão controlada) no cp capazes de gerar um decréscimo

na rigidez. Para o presente estudo, os ensaios foram realizados de maneira

convencional a tensão controlada devido à disponibilidade de execução no laboratório

utilizado para realização desta pesquisa.

Para as M2 (60,0% de escória) e M6 (40,0% de escória), os cps moldados com o teor

de 7,0% e 6,2% de ligante, respectivamente, foram submetidos aos ensaios de fadiga

por compressão diametral a tensão controlada. Os valores de K e n para as três

misturas estão na Tabela 5.3.1. Os resultados do ensaio de fadiga das três misturas

(M2, M6 e mistura comparativa) estão na Figura 5.3.2. Os ensaios foram realizados

para tensões de tração equivalentes de 10,0%, 20,0%, 30,0% e 40,0% do valor de RT

para as misturas M2 e comparativa e 20,0%; 30,0%; 40,0% e 50,0% para a M6. Para a

M2, foram ensaiados quatro cps para cada nível de tensão, exceto para a menor

104

diferença de tensões devido à longa duração do ensaio (48 horas) foi realizado apenas

um ensaio. Este único ponto para a tensão mais baixa pode ter sido responsável pela

maior inclinação da reta no gráfico log-log, fazendo com que a diferença em relação a

reta da mistura comparativa fique maior. Para a M6 foram ensaiados dois cps para

cada nível de tensão, assim como para a mistura comparativa.

Tabela 5.3.1 - Constantes (MPa) do ensaio de fadiga para as misturas 2 e 6 (60,0% e

40,0% de escória, respectivamente) e comparativa

Mistura K n

M2 672 -4,0

M6 64.407 -5,1

Comparativa 688 -2,1

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

0,10 1,00 10,00

Diferença de tensões (MPa)

Número de aplicações

Comparativa

Mistura 2

Mistura 6

Figura 5.3.2 - Vida de fadiga a tensão controlada (25ºC) para as misturas 2 e 6 (60,0%

e 40,0% de escória, respectivamente) e comparativa

Percebe-se que para baixas tensões a M2 (60,0% de escória) apresenta uma

tendência a maior vida de fadiga, se comparada com a mistura convencional. Já para

altas tensões, estas duas misturas (M2 e comparativa) apresentaram vidas de fadiga

praticamente iguais. A M6 (40,0% de escória) apresentou uma tendência de maior vida

de fadiga para todas as diferenças de tensões, se comparada com as outras duas

misturas (M2 e comparativa). A comparação entre as vidas de fadiga para este tipo de

ensaio é limitada porque o desempenho das misturas em serviço estará associado às

tensões na estrutura do sistema de camadas como um todo (CTPETRO, 2003). O

105

ideal é fazer um projeto e verificar a posição da curva de fadiga a partir das tensões

geradas num sistema de camadas. A partir daí, estabelecendo-se uma mesma

espessura de pavimento, as curvas podem ser comparadas e será possível estimar

para qual mistura seria esperada maior vida de fadiga, como se verá no próximo

capítulo.

Percebe-se que os Ks para a M2 e a comparativa não são muito diferentes, o mesmo

não sendo verificado para o expoente n da curva com aciaria que é quase o dobro do

expoente da curva de comparação. Apesar dos valores de MR das misturas M2 e

comparativa terem a mesma ordem de grandeza, esperava-se que a mistura com

maior valor de MR (mistura convencional) apresentasse uma curva de fadiga acima

daquele com menor valor de MR (M2). Para estas misturas isto não foi constatado,

apesar dos ensaios terem sido realizados por compressão diametral a tensão

controlada. Deve-se atentar, porém que a mistura utilizada não é convencional. O

agregado, escória de aciaria, pode ter formado um esqueleto mineral mais intertravado

do que aquele formado pelo agregado convencional. O K para a M6 mostrou-se

bastante superior aos outros dois. Com relação ao expoente n para esta mistura (M6),

apresentou-se ainda maior do que o da M2. Para este caso, a mistura que apresentou

os maiores valores de RT e MR (M6) também apresentou uma tendência de maior

vida de fadiga.

É importante também observar que como em campo o número de aplicações é bem

maior do que ocorre no ensaio, a inclinação das retas torna-se mais importante do que

o fato de uma estar ou não sobre a outra. Desta forma, a M6 apresenta-se com maior

inclinação, se comparada com as misturas M2 e comparativa, e com isso tende a

apresentar também uma melhor vida de fadiga. Deve-se atentar que para baixas

tensões (equivalentes a 20,0% do valor de RT) só foram realizados dois ensaios o que

pode ter aumentado a inclinação da reta obtida para a M6.

5.4 - RESISTÊNCIA À TRAÇÃO RETIDA POR UMIDADE INDUZIDA (AASHTO T-

283/89)

O dano causado pela umidade nas misturas asfálticas afeta diretamente o

desempenho e a vida de serviço dos pavimentos. Com o intuito de melhor avaliar a

adesividade, capacidade do ligante de aderir aos agregados (MOURA, 2001), foi

realizado o ensaio de resistência à tração retida por umidade induzida.

106

A importância deste ensaio é devida ao fato do mesmo associar resultados

laboratoriais com o desempenho das misturas asfálticas em campo. O método

utilizado neste estudo, AASHTO T-283/89, é uma junção de dois outros métodos:

TUNNICLIFF e ROOT NCHRP-274/84 (ASTM-D 4867/88) e o Ensaio de

Lottman

NCHRP-246/82 (MOURA, 2001). Este método avalia o efeito danoso da água em cps

com Vv entre 6,0% e 8,0%. O ensaio de RT é realizado em dois grupos de cps. O

primeiro sem condicionamento e o segundo com o mesmo condicionamento do grupo

III do Ensaio de

Lottman, isto é:

• Saturação: submeter os cps (imersos em água a 25ºC) a uma pressão de 254 mm

- 660 mm de coluna de mercúrio por aproximadamente 5 minutos para garantir a

completa saturação dos mesmos (entre 55,0% e 80,0%);

• Aquecimento: imergir os cps durante 24 ± 1 hora em água a temperatura de 60ºC

±1ºC;

• Congelamento: depois de envolver os cps em filme plástico e colocá-los em um

saco plástico com 10 ml de água (25ºC), refrigerar os mesmos a -18ºC ±3ºC por no

mínimo 16 horas;

• Descongelamento: submergir os cps em água (60ºC ±1ºC) por 24 horas ainda com

o filme e o saco e posteriormente, depois de retiradas as proteções (filme e saco

plástico) submergi-los e em água (25ºC) por duas horas.

Apesar deste ensaio utilizar o mesmo tipo de condicionamento severo do ensaio

Lottman, este processo não simula as condições climáticas ocorridas em campo. Este

ensaio (AASHTO T-283, 1989) se compromete unicamente a avaliar o comportamento

de misturas asfálticas diante da ação deletéria da água (MOURA, 2001).

O ensaio foi realizado na COPPE/UFRJ apenas para a M6 (40,0% de escória), no TP.

Optou-se por realizar este ensaio devido à falta de recobrimento nos agregados pelo

ligante durante a moldagem dos cps, apesar da utilização do CAP-DOP, como pode

ser observado na Figura 5.4.1.

107

(a) Interação ligante-agregado (b) Adesividade não satisfatória no cp

Figura 5.4.1 - Ilustração de falta de recobrimento dos agregados pelo ligante durante a

moldagem Marshall dos corpos de prova

Para a realização deste ensaio, os cps têm que possuir um Vv entre 6,0% e 8,0% no

TP. Para obtenção de tal Vv, o número de golpes para compactação dos cps foi sendo

diminuído até alcançar o objetivo desejado. Iniciou-se com 50 golpes e diminuiu-se o

número de golpes de 10 em 10. O valor considerado ideal para a realização do ensaio

foi de 15 golpes. O gráfico número de golpes versus Vv (%) pode ser visualizado na

Figura 5.4.2.

3,1 3,2 4,0 5,9 7,1

Vv(%)

Nº de Golpes

Figura 5.4.2 - Variação do Vv (%) com o número de golpes para a mistura 6 (40,0% de

escória) no Teor de Projeto (TP)

Percebe-se que, como era de se esperar, a diminuição do número de golpes gerou um

aumento do Vv nos cps. A diminuição do número de golpes de 50 para 40, 40 para 30,

30 para 20 e 20 para 10 levou a um aumento de 0,1%; 0,8%; 1,9% e 1,2% no Vv,

respectivamente.

Falta de

recobrimento

108

Optou-se por moldar quatro grupos de cps. Os dois primeiros foram confeccionados

com o uso do CAP-DOP, sendo um para realização do ensaio com condicionamento e

o outro para realização do ensaio sem o condicionamento. Os outros dois grupos de

cps foram confeccionados com a utilização de 1,0% de CAP-DOP e os ensaios foram

realizados da mesma maneira descrita para os dois primeiros grupos. Os cps

moldados com 15 golpes apresentaram um Vv médio de 6,9%, dentro do exigido pela

norma. Os cps moldados com DOPE apresentaram um Vv médio igual a 7,6%,

enquanto que aqueles que foram moldados sem DOPE apresentaram Vv médio igual

a 6,1%, para o mesmo teor de ligante (6,2%).

Os resultados encontrados para ensaios de RT com e sem adição de CAP-DOP para

a M6 e comparativa estão na Tabela 5.4.1, para cps sem condicionamento e na

Tabela 5.4.2, para cps com condicionamento. As médias são resultados de três

determinações.

Tabela 5.4.1 - Valores de Resistência à Tração Indireta (RT) para a mistura 6 (40,0%

de escória) com utilização de DOPE, sem DOPE e mistura comparativa - corpos de

prova sem condicionamento

RT (MPa, 25ºC) com DOPE RT (MPa, 25ºC) sem DOPE

Mistura

Média Desvio Padrão Média Desvio Padrão

M6 (COPPE) 1,16 0,06 1,18 0,13

Comparativa - - 0,75 0,07

Tabela 5.4.2 - Valores de Resistência à Tração Indireta (RT) para a mistura 6 (40,0%

de escória) com utilização de DOPE, sem DOPE e mistura comparativa - corpos de

prova com condicionamento

RT (MPa, 25ºC) com DOPE RT (MPa, 25ºC) sem DOPE

Mistura

Média Desvio Padrão Média Desvio Padrão

M6 (COPPE) 0,96 0,06 0,98 0,15

A Razão de Resistência à Tração por compressão diametral (RRT) é obtida dividindo-

se o valor da RT com condicionamento dos cps (média de três determinações) pelo

valor da RT sem condicionamento dos cps. Este percentual deve ser maior ou igual a

80,0% para que a amostra seja aprovada (MOURA, 2001). A mistura com utilização de

DOPE apresentou uma RRT de 83,0%, ou seja, uma perda de resistência de 17,0%.

Enquanto que a mistura sem utilização de DOPE apresentou uma RRT de 82,6%, ou

109

seja, uma perda de resistência de 17,4%. As duas misturas (com e sem utilização de

DOPE) apresentaram RRT maior do que o mínimo admissível (80,0%).

Percebe-se que os valores encontrados para as duas misturas avaliadas neste ensaio

são bastante próximos. A diferença encontrada entre os valores de RRT foi de 0,4%.

Este fato indica que, com relação à ação deletéria da água, a utilização do DOPE nas

misturas não foi relevante, apesar do ensaio empírico do DNER ME – 078 (1994) ter

apontado a necessidade de utilização de 1,0% de DOPE.

5.5 - COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS

Diante da grande dispersão encontrada nos resultados dos ensaios mecânicos,

procurou-se comparar os resultados encontrados com outros estudos realizados com

utilização de escória de aciaria. Apesar da revisão bibliográfica realizada para este

estudo, a grande maioria dos trabalhos consultados não havia utilizado este rejeito na

camada de revestimento ou realizado os mesmos ensaios utilizados nesta pesquisa.

Este fato dificultou a comparação com outros trabalhos, embora confirmando relativa

originalidade deste estudo.

O único trabalho consultado que reportou os valores de RT, MR e vida de fadiga foi o

projeto: “Pavimento econômico a partir de carboquímicos e escórias de aciaria da

CSN” (COPPETEC, 1996). Este projeto tinha como objetivo caracterizar misturas

asfálticas com utilização de escória de aciaria (proveniente da CSN), pó de pedra, fíler

de cimento Portland e ligante CSN (75,0% de CAP e 25,0% de alcatrão). Os

resultados encontrados para os ensaio de RT e MR, bem como a relação MR/RT,

estão na Tabela 5.5.1. A mistura 1 utilizou CAP 20 (9,0%) e a mistura 2 utilizou CAP

CSN (7,0%). Estas duas misturas utilizaram aproximadamente a proporção de 70,0%

de escória de aciaria, em peso do agregado mineral.

110

Tabela 5.5.1 - Resultados dos ensaios mecânicos para as misturas testadas no projeto

COPPETEC (1996)

RT (MPa), 25ºC MR (MPa), 25ºC

Mistura

Condicionamento

Média

Desvio

Padrão

Média

Desvio

Padrão

MR/RT

Sem condicionamento 0,62 0,02 2.330 128 3.758

SHRP - 4 horas/135ºC 1,40 0,09 4.700 815 3.357

SHRP - 4 horas/135ºC +

2 dias/100ºC

0,75 0,03 2.763 221 3.684

Mistura 1

(COPPETEC)

SHRP - 4 horas/135ºC +

5 dias/85ºC

0,99 0,08 3.857 592 3.896

Sem condicionamento 0,58 0,01 1.840 53 3.172

SHRP - 4 horas/135ºC 0,80 0,02 3.933 320 4.916

SHRP - 4 horas/135ºC +

2 dias/100ºC

0,80 0,04 3.780 544 4.725

Mistura 2

(COPPETEC)

SHRP - 4 horas/135ºC +

5 dias/85ºC

0,96 0,12 4.120 298 4.292

Os valores de RT (sem condicionamento) encontrados para as misturas testadas no

projeto COPPETEC (1996), foram inferiores aos valores encontrados para as misturas

experimentais deste estudo (exceto para a M2 e para os teores de 7,5% e 8,0% de

CAP da M5). Os desvios padrões encontrados foram inferiores aos encontrados para

as misturas M3, M4, M5 e M6 e superiores aos das M1 e M2, testadas nesta pesquisa.

Para os valores de MR (sem condicionamento), o valor encontrado para a mistura 1

(COPPETEC, 1996) foi superior aos encontrados para as M1, M2, M3 e para o teor de

5,5% de CAP da M4. Já o valor encontrado para a mistura 2 (COPPETEC) só foi

superior aos encontrados para a M2 e para os teores de 7,0%; 7,5% e 8,0% de CAP

para a M5. Os desvios padrões para estas misturas (COPPETEC) foram inferiores a

todos encontrados para as misturas experimentais investigadas nesta pesquisa

(exceto para a M2).

Para os ensaios de RT e MR, realizados após os condicionamentos, percebe-se que

os valores encontrados foram superiores aos encontrados sem o condicionamento. A

mistura 1 (COPPETEC, 1996) apresentou um valor de MR próximo do encontrado

111

para a M6 quando o ensaio foi realizado com condicionamento de curto prazo (SHRP -

4horas/ 135ºC). Já a mistura 2 (COPPETEC, 1996) só apresentou um valor de MR

próximo do encontrado para a M6 quando o ensaio foi realizado após o

condicionamento de longo prazo (SHRP - 4 horas/135ºC + 5 dias/85ºC). Apesar dos

condicionamentos para este projeto (COPPETEC, 1996) terem sido diferentes do

realizado para esta pesquisa, percebe-se que de maneira geral o envelhecimento do

ligante faz com que os valores de RT e MR se elevem.

As misturas que utilizaram escória de aciaria (COPPETEC, 1996) apresentaram

curvas de fadiga com os valores de K e n contidos na Tabela 5.5.2. Os resultados do

ensaio de fadiga por compressão diametral a tensão controlada podem ser

visualizados na Figura 5.5.1 para a mistura 1 do projeto COPPETEC e para as três

misturas deste estudo (comparativa, M2 e M6). Para a mistura do projeto COPPETEC

o ensaio foi realizado para tensões de tração equivalente a 10,0%; 20,0%; 30,0% e

40,0% do valor de RT e sem condicionamento em estufa. Foram ensaiados dois cps

para cada nível de tensão (exceto para a menor diferença de tensão, onde foram

ensaiados três cps). Os valores necessários para a confecção do gráfico de vida de

fadiga versus diferença de tensões a 25ºC, para a mistura 2, não estão no documento

consultado, o que impossibilitou esta comparação. Pode-se perceber que a mistura 1

(COPPETEC) apresentou vida de fadiga praticamente coincidente com a mistura

comparativa deste estudo.

Tabela 5.5.2 - Constantes (MPa) do ensaio de fadiga para as misturas do projeto

COPPETEC (1996)

Mistura K n

Mistura 1 (COPPETEC) 540 -2,28

Mistura 2 (COPPETEC) 114 -2,40

Os resultados encontrados para as misturas confeccionadas pela COPPE/UFRJ

apresentaram menor dispersão. Porém, deve-se levar em consideração que os

materiais utilizados neste projeto são diferentes daqueles utilizados nesta pesquisa,

tanto o CAP (tanto o tipo quanto o teor) quanto a escória (para o projeto COPPETEC,

os grãos eram todos porosos). Acredita-se que a origem da escória é um fator

determinante nas características da mesma.

112

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

0,10 1,00 10,00

Diferença de tensões (MPa)

Número de aplicações

Comparativa

Mistura 2

Mistura 6

Mistura 1 - COPPETEC

Figura 5.5.1 - Vida de fadiga a tensão controlada (25ºC) para as misturas comparativa,

2 e 6 (60,0% e 40,0% de escória, respectivamente) e para a mistura 1 do projeto

COPPETEC (1996)

113

CAPÍTULO 6

6 APLICAÇÃO DOS RESULTADOS

6.1 - DADOS GERAIS DO TRECHO ANALISADO

A fim de verificar a influência dos resultados encontrados nos ensaios mecânicos, bem

como a dispersão dos mesmos, foi realizado o dimensionamento de um trecho. Este

trecho foi avaliado por BENEVIDES (2000). Para realização do presente estudo, a

camada original de revestimento (CBUQ convencional) foi substituída por algumas

misturas investigadas nesta pesquisa. As misturas escolhidas para as análises foram:

a mistura comparativa, a M2 (60,0% de escória) e a M6 (40,0% de escória). O trecho

encontra-se na Região Metropolitana de Fortaleza, entre os municípios de Pajuçara e

Pacatuba (CE – 060) e a sua localização pode ser visualizada na Figura 6.1.1.

Figura 6.1.1 - Localização do trecho utilizado para análise de dimensionamento

O trecho foi originalmente dimensionado pelo método empírico do DNER e apresenta

a estrutura mostrada na Figura 6.1.2. O revestimento executado é do tipo CBUQ (faixa

C do DNER) enquanto as camadas granulares e o subleito foram classificados da

forma tradicional. O número N (número de repetições do eixo simples padrão de 8,2 tf)

previsto à época é igual a 3,74 × 10

, para dez anos de período de projeto, Volume

Médio Diário (VMD) de 560 veículos, taxa de crescimento de 2,0% ao ano, Fator

climático Regional (FR) igual a 1,4 e Fator de Veículo (FV) de 1,3.

114

5,0 cm

16,0 cm

20,0 cm

Subleito argiloso/siltoso

Sub-base Areia Siltosa

Revestimento - CBUQ

Base Solo-Brita

Figura 6.1.2 - Estrutura do trecho Pajuçara-Pacatuba

As características das diversas camadas, obtidas na fase de projeto, do trecho

Pajuçara-Pacatuba estão nas Tabelas 6.1.1 a 6.1.4. A fim de verificar estas

características, os ensaios foram refeitos em laboratório por BENEVIDES (2000) e os

resultados também estão nestas Tabelas. Para a camada de revestimento (R), foram

obtidos os valores de estabilidade (Est.), fluência (Fl.) e peso específico (P). Para as

camadas granulares (base, sub-base e subleito) a caracterização foi baseada na

energia de compactação (En.), podendo ser: modificada (M), intermodificada (IM),

intermediária (I) ou normal (N). Ainda para estas camadas, Ex. = expansão e Hot. =

umidade ótima. Com relação ao Limite de Liquidez (LL) e ao Índice de Plasticidade

(IP), as camadas granulares são não líquidas e não plásticas.

Tabela 6.1.1 - Características físicas de projeto e obtidas em laboratório por

BENEVIDES (2000) da camada de revestimento do trecho Pajuçara-Pacatuba

Caract. R Faixa CAP (%) Vv (%) RBV (%) Est. (kgf) Fl. (1/100”) P (kgf/m

)

Projeto CBUQ C 5,4 4,2 70 430 13 2.326

Lab. CBUQ C 5,4 4,4 73 580 13 2.336

Tabela 6.1.2 - Características físicas de projeto e obtidas em laboratório por

BENEVIDES (2000) da camada de base do trecho Pajuçara-Pacatuba

Caract. Composição Faixa CBR (%) En. P (kgf/m

) Ex. (%) Hot. (%)

Projeto Solo-Brita (60-40)% D 84,5 IM 2.048 - 4,40

Lab. Solo-Brita (60-40)% D 84,5 IM 2.195 - 4,40

115

Tabela 6.1.3 - Características físicas de projeto e obtidas em laboratório por

BENEVIDES (2000) da camada de sub-base do trecho Pajuçara-Pacatuba

Caract. Composição CBR (%) En. P (kgf/m

) Ex. (%) Hot. (%)

Projeto S/ mistura 54,0 I 2.080 0,10 5,50

Lab. S/ mistura 57,0 I 2.164 0,10 5,50

Tabela 6.1.4 - Características físicas de projeto e obtidas em laboratório por

BENEVIDES (2000) do material de subleito do trecho Pajuçara-Pacatuba

Caract. CBR (%) En. P (kgf/m

) Ex. (%) Hot. (%)

Projeto 9,0 N 1.803 0,70 10,80

Lab. 8,0 N 2.113 0,30 8,50

Para as camadas granulares, os resultados dos ensaios triaxiais dinâmicos estão na

Tabela 6.1.5, para os dois valores de umidade ensaiados (Hot. e Hot. - 1,0%). Para a

camada de revestimento, os resultados reportados na Tabela 6.1.6 são referentes às

misturas avaliadas neste estudo, já que as mesmas serão utilizadas nesta análise em

substituição à camada de revestimento original do trecho. Os resultados dos ensaios

de RT e MR, além da relação MR/RT estão na citada Tabela. Para a M6, ensaiada na

UFC e na UFRJ, os resultados são uma média dos valores encontrados nas duas

instituições. As equações obtidas no ensaio de fadiga em função da diferença de

tensões (∆σ) para as misturas comparativa, M2 (60,0% de escória) e M6 (40,0% de

escória) estão na Tabela 6.1.7.

Tabela 6.1.5 - Equações do Módulo de Resiliência (MR) e correlações para as

camadas granulares do trecho Pajuçara-Pacatuba (BENEVIDES, 2000)

Camada Umidade (%) MR (MPa) MR (kgf/cm

) R

Hot. = 4,40

968,6 σ

0,3021

4.893,4 σ

0,3021

0,62

Base

Hot. - 1,0% = 3,40

1671,7 σ

0,5147

5.163,2 σ

0,5147

0,89

Hot. = 5,50

1198,0 σ

0,4688

4.114,1 σ

0,4688

0,79

Sub-base

Hot. - 1,0% = 4,50

916,5 σ

0,1304

6.907,8 σ

0,1304

0,45

Subleito Hot. = 10,80

237,4 σ

-0,2131

3.966,2 σ

-0,2131

0,56

116

Tabela 6.1.6 - Resistência à Tração (RT), Módulo de Resiliência (MR) e relação

MR/RT para as misturas comparativa, M2 (60,0% de escória) e M6 (40,0% de escória),

utilizadas como revestimento nas análises deste estudo

RT (kgf/cm

, 25ºC) MR (kgf/cm

, 25ºC)

Mistura

Média

DP Média DP

MR/RT

Comparativa 7,50 0,74 20.510 2.640 2.728

M2 6,20 0,06 18.360 340 2.944

13,60

1,97

46.710

12.150 3.750

Tabela 6.1.7 – Constantes (MPa) do ensaio de fadiga a tensão controlada, em função

da diferença de tensões, para as misturas comparativa, M2 (60,0% de escória) e M6

(40,0% de escória), utilizadas como revestimento nas análises deste estudo

Mistura K n

Comparativa 688 -2,1

M2 672 -4,0

M6 64.407 -5,1

6.2 - ANÁLISES UTILIZANDO O FEPAVE2

As análises foram feitas utilizando o programa computacional FEPAVE2 (MOTTA,

1991

e SILVA, 1995

apud BENEVIDES, 2000), usando o modelo elástico linear para

a camada de revestimento e elástico não-linear para as outras camadas. A partir de

alguns dados de entrada, é feita a análise de tensões e deformações no pavimento e

como resultados o programa fornece: deflexão máxima admissível na superfície,

deformação específica de tração, diferença de tensão no revestimento, tensão vertical

no subleito e tensão de tração no revestimento. Estes resultados são então

comparados com os critérios de aceitação estabelecidos pelo projetista. Caso algum

destes critérios não seja aceito, a estrutura ou até mesmo alguma camada do

pavimento é modificada e os cálculos são refeitos.

Os dados de entrada utilizadas nesta análise foram os seguintes:

• Raio da área de carregamento: 10,80 cm;

• Pressão na área de carregamento: 5,60 kgf/cm

;

MOTTA, L.M.G., 1991, Método de Dimensionamento de Pavimentos Flexíveis: Critério de Confiabilidade

e Ensaios de Carga Repetida

. Tese de D.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

SILVA, P.D.E.A., 1995, Contribuições para o Aperfeiçoamento do Emprego do Programa FEPAVE2 em

Estudos e Projetos de Pavimentos Flexíveis

. Tese de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

117

• Número de camadas: 4;

• Espessura das camadas: determinadas a partir das alternativas estabelecidas.

Estas alternativas serão discutidas adiante;

• Peso específico das camadas: os valores adotados para as camadas granulares

foram os descritos anteriormente, obtidos em laboratório por BENEVIDES (2000).

Para as misturas que utilizaram escória de aciaria em seus revestimentos, o valor

de 2.500 kgf/m

foi considerado baseado nos valores obtidos em laboratório na

presente pesquisa;

• Módulo de resiliência: os valores de MR foram também os descritos anteriormente,

sendo que somente para a camada de revestimento foi considerado o desvio

padrão;

• Parâmetros K

e K

: os valores para as camadas granulares estão na Tabela 6.2.1;

• Código dos materiais: os códigos adotados foram: 3 (para materiais com MR

constante), 1 (para solos granulares), 1 (para solos granulares) e 6 (para solos

coesivos – função da σ

), para as camadas de revestimento, base, sub-base e

subleito respectivamente;

• Coeficiente de Poisson: foram assumidos os seguintes valores: 0,25; 0,35; 0,35 e

0,40 para as camadas de revestimento, base, sub-base e subleito

respectivamente.

Tabela 6.2.1 - Parâmetros K

e K

para dimensionamento das camadas granulares do

trecho Pajuçara-Pacatuba (BENEVIDES, 2000)

Coeficiente

Camada/Código

Base (1) 5.028 0,4084

Sub-base (1) 5.511 0,2996

Subleito (6) 3.966 -0,2131

Os critérios de aceitação adotados foram (BENEVIDES, 2000):

• Deflexão máxima admissível (D) (0,01 mm): adotada como log D

adm.

= 3,148 -

0,188 log N

(DNER PRO 269/94) (PREUSSLER, 1983

apud BENEVIDES, 2000);

• Diferença de tensões no revestimento (∆σ) (kgf/cm

): a partir das equações obtidas

no ensaio de fadiga, o número N e considerando 0,0% de área trincada ao final do

período de projeto. A fim de considerar a heterogeneidade da escória de aciaria

PREUSSLER, E.S., 1983, Estudo da Deformação Resiliente de Pavimentos Flexíveis e Aplicação ao

Projeto de Camadas de Reforço

. Tese de D.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

118

usada nas misturas que utilizaram escória de aciaria como agregado (M2 e M6), foi

considerado um Fator Campo Laboratório (FCL) igual a 10

. Este fator é menor do

que o considerado por PINTO, 1991

apud BENEVIDES, 2000 (10

), porém

recomendado para áreas urbanas (RAMOS, 2003). Para a mistura comparativa

(confeccionada com agregados convencionais) o FCL considerado foi o mesmo

que BENEVIDES (2000);

• Tensão vertical admissível no subleito (σ

vadm.

) (kgf/cm

): obtida através da

equação: σ

vadm.

= 0,006 MR

médio

/ (1 + 0,7 log N).

Foram testadas três alternativas:

• Alternativa 1 - considerando as espessuras iniciais projetadas no método empírico

do DNER para as camadas granulares e aumentando a espessura do revestimento

de 5,0 cm para 6,0 cm;

• Alternativa 2 - considerando as espessuras iniciais projetadas no método empírico

do DNER (semelhante à alternativa dois proposta por BENEVIDES, 2000);

• Alternativa 3 - considerando as espessuras iniciais projetadas no método empírico

do DNER para as camadas granulares e diminuindo a espessura do revestimento

de 5,0 cm para 4,0 cm.

Foram adotados níveis de confiabilidade de 75,0% a 99,9% (TRIOLA, 1999),

recomendados para rodovias estaduais (BENEVIDES, 2000). Os resultados

encontrados considerando como revestimento as misturas investigadas na presente

pesquisa, ou seja, comparativa, M2 (60,0% de escória) e M6 (40,0% de escória), estão

nas Tabelas 6.2.2, 6.2.3 e 6.2.4, respectivamente.

Tabela 6.2.2 - Resultados das análises feitas com utilização do FEPAVE2, utilizando a

mistura comparativa como revestimento, para o trecho Pajuçara-Pacatuba

Nível de Confiabilidade (%)

Mistura Alt.

Parâmetros

Calculados

Média

Desvio

Padrão

75,0 85,0 95,0 99,9

Critérios de

aceitação

D (mm) 32 1 33,15 33,44 33,96 35,09 82

(kgf/cm

)

0,51 0,01 0,52 0,52 0,53 0,54 2,28

∆σ (kgf/cm

)

9,48 0,55 10,11 10,27 10,56 11,18 13,33

D (mm) 33 0 33 33 33 33 82

(kgf/cm

)

0,33 0,01 0,34 0,34 0,35 0,36 2,28

∆σ (kgf/cm

)

10,70 0,34 11,09 11,19 11,37 11,75 13,33

D (mm) 34 0 34 34 34 34 82

(kgf/cm

)

0,36 0,01 0,37 0,37 0,38 0,39 2,28

Comparativa

∆σ (kgf/cm

)

10,30 1,00 11,45 11,74 12,26 13,39 13,33

119

Tabela 6.2.3 - Resultados das análises feitas com utilização do FEPAVE2, utilizando a

mistura 2 (60,0% de escória) como revestimento, para o trecho Pajuçara-Pacatuba

Nível de Confiabilidade (%)

Mistura Alt.

Parâmetros

Calculados

Média

Desvio

Padrão

75,0 85,0 95,0 99,9

Critérios de

aceitação

D (mm) 33 0 33,00 33,00 33,00 33,00 82

(kgf/cm

)

0,52 0,00 0,52 0,52 0,52 0,52 2,28

∆σ (kgf/cm

)

9,49 0,38 9,93 10,04 10,23 10,66 6,47

D (mm) 34 0 34 34 34 34 82

(kgf/cm

)

0,34 0,00 0,34 0,34 0,34 0,34 2,28

∆σ (kgf/cm

)

10,53 0,91 11,58 11,84 12,31 13,34 6,47

D (mm) 35 0 35 35 35 35 82

(kgf/cm

)

0,37 0,00 0,37 0,37 0,37 0,37 2,28

Mistura 2 (60,0% de escória)

∆σ (kgf/cm

)

10,12 1,69 12,06 12,55 13,43 15,34 6,47

Tabela 6.2.4 - Resultados das análises feitas com utilização do FEPAVE2, utilizando a

mistura 6 (40,0% de escória) como revestimento, para o trecho Pajuçara-Pacatuba

Nível de Confiabilidade (%)

Mistura Alt.

Parâmetros

Calculados

Média

Desvio

Padrão

75,0 85,0 95,0 99,9

Critérios de

Aceitação

D (mm) 28 2 30,30 30,88 31,92 34,18 82

(kgf/cm

)

0,43 0,03 0,46 0,47 0,49 0,52 2,28

∆σ (kgf/cm

)

13,03 0,51 13,62 13,76 14,03 14,61 17,52

D (mm) 30 2 32,3 32,88 33,92 36,18 82

(kgf/cm

)

0,29 0,02 0,31 0,32 0,33 0,35 2,28

∆σ (kgf/cm

)

11,21 0,46 11,74 11,87 12,11 12,63 17,52

D (mm) 31 1 32,15 32,44 32,96 34,09 82

(kgf/cm

)

0,32 0,02 0,34 0,35 0,36 0,38 2,28

Mistura 6 (40,0% de escória)

∆σ (kgf/cm

)

18,64 2,47 21,48 22,20 23,48 26,27 17,52

Os resultados encontrados para a mistura comparativa indicam que quase todas as

estruturas avaliadas foram aceitas para todos os níveis de confiabilidade investigados.

A única alternativa que não foi aceita foi a terceira (onde a estrutura do revestimento

foi diminuída de 1 cm em relação a original investigada por BENEVIDES, 2000) e

apenas para o nível de 99,9% de confiabilidade. Para este caso onde houve rejeição,

o critério ultrapassado foi a ∆σ. A diferença entre a ∆σ calculada e a admissível foi

muito pequena (0,06 kgf/cm

Para a M2 (60,0% de escória), os resultados indicam que para as estruturas

analisadas, o critério de aceitação (∆σ) foi ultrapassado em todas as alternativas

avaliadas, para todos os níveis de confiabilidade.

Para a última mistura avaliada (M6 com 40,0% de escória), a estrutura escolhida foi

aceita para as alternativas 1 e 2, para todos os níveis de confiabilidade. A alternativa 3

120

foi rejeitada para todos os níveis de confiabilidade avaliados. Para esta mistura, assim

como para as outras duas avaliadas, o critério de aceitação ultrapassado foi a ∆σ.

Percebe-se que, para a análise realizada, a diferença entre os valores de MR e a

dispersão dos resultados encontrados para as misturas com escória investigadas

neste estudo é relevante no dimensionamento de pavimentos. A mistura comparativa

com valor de MR e desvio padrão intermediários (entre as M2 e M6) foi a mistura que

apresentou o menor número de estruturas rejeitadas. Já a M2 (60,0% de escória), com

o menor valor de MR entre as três misturas avaliadas, teve todas as estruturas

analisadas rejeitadas, apesar de ter apresentado o menor valor de desvio padrão. A

utilização da M6 (40,0% de escória), que apresentou maiores valores de MR, RT e

uma tendência de maior vida de fadiga, fez com que duas das três estruturas

analisadas fossem aceitas, apesar desta mistura (M6) também ter apresentado o

maior valor de desvio padrão para os resultados de MR. O critério de aceitação ∆σ foi

sempre o ultrapassado, para os casos em que as alternativas não foram aceitas. Nota-

se também que a alternativa crítica foi a terceira, isto é, o caso onde a estrutura

estudada por BENEVIDES (2000) teve a camada de revestimento diminuída de 1 cm.

A estrutura avaliada por BENEVIDES (2000), isto é, a camada de revestimento com

uma mistura do tipo CBUQ convencional, coincidentemente apresentou o mesmo

comportamento da mistura convencional estudada nesta pesquisa. Ou seja, para a

alternativa onde as espessuras iniciais projetadas pelo método empírico do DNER

foram mantidas com a camada de subleito em função de σ

(alternativa 2), a estrutura

foi rejeitada apenas para o nível de 99,9% de confiabilidade. Porém, estas misturas

(comparativa deste estudo e convencional de BENEVIDES, 2000) apresentaram

valores de MR na mesma ordem de grandeza. Estes resultados estão nas Tabelas

6.2.5 e 6.2.6. Vale ressaltar que os níveis de confiabilidade estudados por

BENEVIDES (2000) foram diferentes dos utilizados nesta pesquisa, assim como as

alternativas avaliadas por este autor. A única alternativa coincidente foi a citada, isto é,

aquela onde a camada de revestimento foi mantida com a dimensão original de 5 cm.

121

Tabela 6.2.5 - Resistência à Tração (RT), Módulo de Resiliência (MR) e relação

MR/RT para o revestimento (CBUQ original) do trecho Pajuçara-Pacatuba, estudada

por BENEVIDES (2000)

RT (kgf/cm

, 25ºC) MR (kgf/cm

, 25ºC)

Mistura

Média

DP Média DP

MR/RT

CBUQ original 9,50 1,012 25.160 5.148 2.648

Tabela 6.2.6 - Resultados das análises feitas com utilização do FEPAVE2, utilizando a

mistura original (CBUQ) como revestimento, para o trecho Pajuçara-Pacatuba

(BENEVIDES, 2000)

Nível de Confiabilidade

Mistura Alt.

Parâmetros

Calculados

Média

Desvio

Padrão

50,0 85,0 95,0 99,9

Critérios de

Aceitação

D 20 0 20 20 20 20 82

0,21 0,01 0,21 0,22 0,23 0,24 2,28

CBUQ

original

∆σ

10,82 0,72 10,82 11,57 12,00 13,04 12,63

Com a diminuição do FCL de 10

(PINTO, 1991), utilizado por BENEVIDES (2000),

para 10

(utilizado para áreas urbanas) a análise tornou-se mais “conservadora” o que

fez com alguns dos critérios de aceitação fossem ultrapassados e conseqüentemente

algumas alternativas estudadas fossem descartadas. Para estas alternativas que

foram descartadas, a solução seria alterar as estruturas (dimensão das camadas) ou

até mesmo trocar os materiais. Se o FCL tivesse sido mantido igual ao utilizado por

BENEVIDES (2000), o critério ∆σ (kgf/cm

) passaria de 6,47 e 17,52 para 11,60 e

27,58 para as M2 e M6, respectivamente. Esta mudança faria com que grande parte

das alternativas descartadas fosse aceita.

122

CAPÍTULO 7

7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES

Após o trabalho experimental, foi possível concluir:

• A escória de aciaria objeto desta pesquisa apresenta possibilidade de uso em

revestimentos asfálticos. Porém a metodologia de dosagem tem que ser

compatibilizada para torna-se adequada diante da natureza do rejeito.

• Diante da alta heterogeneidade do rejeito, sugere-se que a empresa geradora do

mesmo (Gerdau Cearense S.A.) faça a devida adequação no seu processo de

vazamento e disposição da escória, a fim de garantir a homogeneidade do rejeito e

assim incentivar o seu uso na pavimentação.

• Com relação à expansibilidade da escória utilizada, a mesma mostrou-se inferior

ao limite estabelecido pelo DNER ME 262/94, porém alta (0,61%) visto que o

rejeito será utilizado como agregado em revestimentos asfálticos. Com a

continuação do ensaio (até o 30° dia) foi possível concluir que a expansibilidade

não estabilizou, aumentando para 1,25% ao final do ensaio. Uma readequação do

processo de armazenagem do rejeito pela Sobremetal Recuperação de Metais

Ltda. através do controle de idade das pilhas de escória de aciaria e

conseqüentemente da cura deste material seria indicado. Esta atitude facilitaria a

comercialização do rejeito para fins rodoviários.

• Com relação aos ensaios exigidos pela norma ME 262/94 (DNER), sugere-se que

para a melhor caracterização do rejeito, alguns ensaios adicionais sejam inseridos

na mesma, como a difração de raio-X e a análise química (quantitativa e feita pelo

microscópio de varredura eletrônica). Além do aumento da duração do ensaio de

expansibilidade, segundo o método PTM 130/78, para melhor avaliação desta

característica do rejeito.

• Com relação às densidades máximas, o estudo indicou que é necessário

compatibilizar os procedimentos para obtenção da densidade máxima com o

123

utilizado para obtenção das densidades reais dos agregados. Isto é, para o caso

em estudo, agregado muito poroso, recomenda-se a utilização do vácuo também

para a obtenção das densidades reais dos agregados para que a densidade

máxima teórica apresente valores superiores aos de densidade máxima medida, o

contrário não é possível conceitualmente.

• O procedimento para obtenção do teor de projeto tem que ser investigado para

utilização deste rejeito como agregado em misturas asfálticas. Há um indicativo de

que com o aumento do teor de ligante, computando-se o percentual absorvido pela

escória ou parte dele, as variações encontradas nos parâmetros volumétricos

diminuirão. Qualquer comparação entre os teores de projeto pode ser considerada

precipitada devido à alta variação encontrada nos parâmetros volumétricos para as

misturas que utilizaram escória no estado bruto, isto é, com grãos lisos e porosos.

• Há uma tendência de que o condicionamento de curto prazo (duas horas em

estufa) ao qual a mistura 6 (40,0% de escória) foi submetida contribuiu para o

aumento dos valores de resistência à tração e módulo de resiliência. Este fato

(envelhecimento) pode ter sido mais relevante até do que a separação da escória,

no que diz respeito a estes resultados.

• De um modo geral, os resultados para os ensaios de módulo de resiliência foram

mais dispersos do que os de resistência à tração e de fadiga. Há uma tendência de

que as análises para o estado limite de resistência são menos afetadas pela

heterogeneidade do material do que aquelas que utilizam valores de pequenas

deformações. Nenhuma bibliografia consultada pela autora reportou o efeito da

heterogeneidade da escória nos parâmetros mecânicos para misturas asfálticas

utilizados nesta pesquisa. A literatura internacional utiliza outros parâmetros e a

nacional, na sua grande maioria, só reporta valores de estabilidade e fluência

Marshall.

• A necessidade de uso de DOPE, segundo o método empírico do DNER – ME 078

(1994), mostrou-se inadequada diante dos resultados do ensaio de resistência à

tração retida por umidade induzida (AASHTO T-283, 1989). Os resultados deste

segundo ensaio não revelam qualquer vantagem na adição de DOPE ao ligante.

• O tamanho da amostragem utilizada para realização tanto das dosagens quanto da

caracterização mecânica das misturas experimentais tem que ser repensado. Três

124

corpos de prova, quantidade geralmente utilizada para caracterização de misturas

dosadas com agregados pétreos, podem ser insuficientes para que conclusões

mais embasadas sejam feitas sobre misturas com utilização de rejeito em suas

confecções.

• Com relação ao dimensionamento realizado, as diferenças encontradas nos

valores dos parâmetros mecânicos bem como os valores de desvios padrões para

as misturas com utilização de escória foram relevantes. A utilização de um Fator

Campo Laboratório mais “conservador” fez com que algumas alternativas

avaliadas fossem descartadas. Para que um maior número de alternativas fossem

aceitas as estruturas teriam que ser modificadas ou os materiais trocados.

Como recomendações para futuras pesquisas podem ser citadas:

• Acompanhamento do desempenho de um pavimento com utilização de escória

de aciaria, proveniente da Gerdau Cearense S.A., como agregado;

• Estudar um procedimento de projeto de misturas asfálticas do tipo Concreto

Betuminoso Usinado a Quente utilizando escória de aciaria como agregado;

• Avaliação da expansão da escória de aciaria com diferentes tempos de cura e

maior número de corpos de prova;

• Realização de dosagens Marshall sem adição de DOPE e verificação das

diferenças encontradas nos parâmetros volumétricos e mecânicos;

• Realização de dosagens Marshall com diferentes tempos de condicionamento

em estufa e verificação das diferenças encontradas nos parâmetros

volumétricos e mecânicos;

• Realização de dosagens Marshall com obtenção da densidade aparente dos

corpos de prova com a superfície saturada e seca (e não da maneira

convencional realizada neste estudo) e com correção da composição

granulométrica das misturas experimentais devido à diferença entre as

densidades da escória de aciaria e de agregados pétreos. Verificação das

diferenças encontradas nos parâmetros volumétricos e mecânicos;

• Realização de dosagens Marshall para misturas asfálticas com utilização

apenas de escória de aciaria como agregado, inclusive fíler;

• Realização de dosagem Superpave para as misturas utilizadas neste estudo e

comparação dos resultados;

125

• Realização de um estudo estatístico a partir da realização de maior número de

ensaios mecânicos para verificar se as diferenças encontradas são

significativas ou não;

• Avaliação da contaminação ambiental provocada pelo rejeito escória dentro de

uma mistura asfáltica.

126

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SOARES, J.B., L.M.G. MOTTA e L.F.M. LEITE, 1999b, “Quatro anos de observação

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XIII Congresso de Pesquisa e Ensino em

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SOARES, J.B.; F.A.C. FREITAS; J.V.C. BRANCO e L.M.G. MOTTA, 2000, “Método de

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135

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