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ANÁLISE DAS PROPRIEDADES REOLÓGICAS DE MÁSTIQUES COM FÍLER DE
RESÍDUO DE BENEFICIAMENTO DE ROCHAS ORNAMENTAIS E ESCÓRIA DE
ACIARIA
Renee Lauret Cosme
Angelo Altoé
Eduardo Valadares Gottardi
Jamilla Emi Sudo Lutif Teixeira
João Luiz Calmon Nogueira da Gama Universidade Federal do Espírito Santo
Departamento de Engenharia Civil
RESUMO
As indústrias de rochas ornamentais e produção de aço no estado Espírito Santo têm gerado um grande volume
de resíduos durante o processo de extração e corte de rochas ornamentais e na produção do aço. Os rejeitos
produzidos pela extração das rochas em sua grande maioria são depositados em lagoas de decantação e aterros
provocando impacto ambiental negativo no meio ambiente. As escórias de aciaria, subproduto gerado durante a
produção do aço, tem cerca de 30% da produção brasileira e 20% da produção mundial não reaproveitadas, tendo
como destino extensas áreas dos parques industriais. No presente trabalho foi feito um estudo objetivando
reaproveitar tais resíduos como fíler em misturas asfálticas avaliando os efeitos da adição destes rejeitos nas
propriedades químicas, físicas e reológicas de mástiques asfálticos. Os materiais utilizados foram Resíduos
Beneficiamento de Rochas Ornamentais (RBRO), Escória Moída de Aciaria (EMA) e o ligante asfáltico CAP
50/70. Foram avaliadas amostras de mástiques com adição destes rejeitos para as relações filer/betume de 0,36.
Os resultados demonstram que adicionando os resíduos ao ligante asfáltico proporcionam uma melhoria em suas
propriedades reológicas com um aumento do G* e com uma diminuição do ângulo de fase, tornado o ligante
menos susceptíveis a deformação permanente e a fadiga.
PALAVRAS-CHAVE: Mástique Asfáltico, Reologia, Resíduos de Rochas, Escória de aciaria.
ABSTRACT
The industries of ornamental stones and production of steel in the state Espirito Santo have been generating a
large volume of residues during the extraction process and cut of ornamental stones and in the production of the
steel. The wastes produced by the extraction of the stones in it majority are deposited in decantation areas and
embankments provoking negative impact in the environment. The slag, generated during the steelmaking, it has
about 30% of the Brazilian production and 20% of the world production not reused, being disposed in extensive
areas of industrial parks. In the present paper it was made a study aiming at the reuse such residues as filler in
asphalt mixes evaluating the effects of the addition of these subproducts in the chemical, physics and rheological
properties of mastics. The used materials were Residues of Ornamental stones, slag and the bitumen binder
50/70. Asphalt mastics with addition of those rejects in the filler/bitumen proportion of 0.36 were produced and
rheological parameters were analyzed. The results demonstrate that added the residues to the asphalt binder
provides an improvement in their rheological properties with an increase of G * and with a decrease of the phase
angle, turned the binder less vulnerable the permanent deformation and fatigue.
KEY WORDS: Asphalt Mastic, Rheology, Ornamental Stones Wastes, Steel Slag.
1. INTRODUÇÃO
É sabido que o Brasil possui uma imensa quantidade de riquezas minerais com grande
potencial exportador, destacando-se, o setor de rochas ornamentais e de mineração. De acordo
com a Abirochas (2012), o país ocupa a 8ª colocação no ranking mundial de exportação de
blocos, e a 5ª em exportação de rochas ornamentais acabadas. Atualmente, o mercado de
rochas no país movimenta cerca de 2,1 bilhões de dólares por ano. Quanto à produção de aço,
o Brasil, em 2013, teve uma produção de cerca de 34,5 milhões de toneladas de aço bruto,
tornando-se o 17º Exportador mundial de aço (exportações diretas), 6º maior exportador
líquido de aço e com um saldo comercial de US$ 1,3 bilhões segundo o Instituto Aço Brasil
(IAB, 2014).
O Espírito Santo é referência mundial na produção de mármore e granito, é líder absoluto na
produção nacional de rochas, apresenta um potencial geológico imensurável com a maior
reserva de mármore do país, é responsável por 50% da produção de todo o mercado nacional e
por 65% das exportações brasileiras. O estado conta com cerca de 900 teares em operação no
Estado, o que representa em torno de 69% dos teares instalados no Brasil (ABIROCHAS,
2012). Em relação a produção de aço, o Estado possui uma produção de 7,5 milhões de
toneladas de aço/ano, o que corresponde a 3% do volume global comercializado de placas de
aço e, ainda, é 3º maior produtor brasileiro de aços planos laminados, segundo a siderúrgica
ArcelorMittal Tubarão (2014).
Diante deste cenário, as indústrias de rochas ornamentais e produção de aço no estado Espírito
Santo têm gerado um grande volume de resíduos durante o processo de extração e corte de
rochas ornamentais e na produção do aço. Alguns estudos apontam o reaproveitamento destes
rejeitos como material alternativo em várias áreas e aplicações, tais como agregados em
misturas asfálticas (Lanzellotti et al., 2005) e (Castelo Branco, 2004), em tratamento
superficial (Rocha, 2011), em misturas de módulo elevado (Freitas, 2007), em base
(Marcaccini, 2009), como para produção de blocos intertravado (MOURA et al., 2006).
2. OBJETIVOS
Investigar a influência da incorporação de resíduos de beneficiamento de rochas ornamentais
e escória moída de aciaria nas propriedades reológicas de mástiques; analisar as interações
que ocorrem entre estes rejeitos e o ligante asfáltico. Para tanto, será feita a determinação das
propriedades reológicas dos mástiques com adição de fíler na proporção f/b (fíler/betume) de
0,36 através de ensaios de varredura de deformação e varredura de frequência. Os resultados
aqui obtidos serão correlacionados com o comportamento mecânico de misturas asfálticas
para verificar a influência dos mástiques na resposta mecânica de concretos.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Segundo Bretas e D’Ávila (2000), reologia é a ciência que estuda o fluxo e a deformação da
matéria e analisa as respostas (deformações ou tensões) de um material provocadas pela
aplicação de uma tensão ou uma deformação. O material pode estar tanto no estado líquido
como no estado gasoso ou sólido. Materiais de elevado peso molecular, como os CAP’s,
possuem um comportamento viscoelástico, que se caracteriza por apresentar ao mesmo tempo
características de materiais sólidos e de materiais líquidos.
A caracterização das propriedades reológicas do ligante asfáltico deve ser realizada ao longo
de toda a faixa de temperaturas e/ ou de tempos de carregamento a que o pavimento pode ser
submetido ao longo da sua vida em serviço. Nas altas temperaturas, o ligante asfáltico se
comporta como um líquido viscoso, a baixas temperaturas se comporta como sólido elástico, e
em temperaturas intermediárias, exibe características tanto de um líquido viscoso quanto de
um sólido elástico (Yildirim et al., 2000).
É necessário se conhecer as condições nas quais os CAP’s se comportam como materiais
viscoelásticos lineares para que se possa obter os parâmetros viscoelásticos, tais como módulo
de cisalhamento dinâmico (G*), ângulo de fase (δ), módulo elástico (G’) recuperável e o
módulo viscoso (G”) não recuperável, já que estes são definidos dentro de uma região de
viscoelasticidade linear. Várias publicações tratam da importância de se estudar os limites da
linearidade dos ligantes betuminosos, principalmente se forem modificados por polímeros
(Collins et al., 1991)
A adição de fíler provoca modificações no comportamento reológico do mástique asfáltico,
com o aumento do módulo de cisalhamento dinâmico e redução do ângulo de fase. Os efeitos
são mais significativos e favoráveis em temperaturas altas, aumentando a rigidez do ligante,
que tem módulo de cisalhamento dinâmico menor nessa faixa de temperatura. Porém, a baixas
temperaturas, o fíler aumenta ainda mais a rigidez do ligante asfáltico, com redução da
capacidade de relaxar tensões. A adição de fíler mineral ao ligante asfáltico provoca um
aumento do parâmetro G*/senδ, o que, segundo a Especificação Superpave, é favorável por
aumentar a resistência do ligante à deformação permanente; porém, também provoca um
aumento do parâmetro G*senδ, sendo desfavorável em relação ao dano por fadiga sob
deformação controlada (Bahia, 1995).
As propriedades reológicas do mástique são resultado da combinação das características
elástica, viscoelástica ou viscosa do ligante asfáltico e da natureza elástica do fíler mineral, o
que afeta as propriedades mecânicas da mistura asfáltica composta por esses materiais. Com
isso, o estudo das propriedades reológicas do mástique permite avaliar como esse componente
pode afetar as propriedades da mistura asfáltica (Bechara et al., 2008).
Hoje, os estudos reológicos em mástiques são realizados em amostras semelhantes àquelas
usadas em estudos de ligantes asfálticos puros ou modificados, ou na forma de corpos de
prova cilíndricos em miniatura, que podem ser moldados ou extraídos de corpos de prova
maiores (Castelo Branco, 2008). Para o ensaio destas amostras, equipamentos específicos,
chamados reômetros, são utilizados. Muitos estudos têm sido empregados para caracterização
reológica de ligantes e mástiques (Anderson et al., 1992 e 2010; Airey, 2003; Bardini, 2013;
Bahia et al., 2001; Bahia e Hanson, 2000; Bechara et al. 2008; D’angelo e Dongre, 2009;
Faxina et al, 2009)
Domingos (2011) fez um importante estudo na caracterização do comportamento fluência-
recuperação de ligantes asfálticos virgens e envelhecidos em ligante asfálticos modificados
por copolímeros. O ensaio de MSCR (Multiple Stress Creep and Recovery), segundo
procedimento da norma ASTM D7405, foi utilizado neste estudo para caracterizar o
comportamento fluência-recuperação. O cimento asfáltico+Elvaloy+Ácido polisfosfórico
apresentou o melhor desempenho nas propriedades e parâmetros analisados. Por sua vez, o
ligante com polietileno apresentou o pior desempenho dentre os materiais estudados.
Geralmente, os estudos reológicos em mástiques são realizados em amostras semelhantes
àquelas usadas em estudos de ligantes asfálticos puros ou modificados ou na forma de corpos
de prova cilíndricos em miniatura, que podem ser moldados ou extraídos de corpos de prova
maiores (Coutinho, 2012; Castelo Branco, 2008).
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Materiais
4.1.1. Cimento Asfáltico de Petróleo - CAP
O cimento asfáltico utilizado nesta pesquisa é classificado como CAP 50-70, de acordo com
pela Agência Nacional de Petróleo, Gás e Energia (ANP) de 2005. Optou-se pelo uso do CAP
50-70, por ser o ligante de maior utilização no país, produzido pela Refinaria Gabriel Passos
(REGAP).
Tabela 1: Resultados da caracterização do CAP 50-70
4.1.2. Resíduos de Beneficiamento de Rochas Ornamentais (RBRO)
O Resíduo de Beneficiamento de Rochas Ornamentais (RBRO) utilizado nesta pesquisa foi
coletado em uma empresa de desdobramento de blocos de rocha, Granriva Granitos,
localizada na cidade de Colatina (ES). O processo de geração de resíduos consiste em: os
resíduos eliminados no processo de corte dos blocos são encaminhados através de canaletas
ou tubulações aos silos de armazenagem e decantação. Em seguida, são levados ao filtro
prensa, para diminuir seu teor de umidade assim, parte da água retirada do resíduo é tratada e
reaproveitada no processo retornando por bombeamento, ficando o resíduo com umidade
reduzida, em torno de 20%, estocado nos pátios das empresas.
Para a presente pesquisa, o material foi coletado e encaminhado ao Laboratório de Materiais
de Construção (LEMAC) da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Em laboratório,
o resíduo foi submetido à secagem em estufa (105 °C) e posteriormente destorroado com
auxílio do almofariz e da mão-de-grau. Após esse processo, o resíduo passou pela peneira de
malha quadrada com abertura de 0,075 mm, atendendo plenamente à especificação em vigor
no DNIT para materiais de enchimento ou fíler, conforme do DNER-EM 367/97 (DNER,
1997). A amostra foi homogeneizada, quarteada e estocada em sacos plásticos. Na Figura 1,
apresenta-se uma parte da amostra do Resíduo de Beneficiamento de Rochas Ornamentais, na
Figura 2, a granulometria das partículas feitos através do ensaio de difratometria a laser, e na
Figura 3, os elementos químicos mais comuns encontrados no resíduo feito através de ensaio
de difração de raio X.
Figura 1: Amostra do Resíduo de Beneficiamento de Rochas Ornamentais
Figura 2: Diâmetro das partículas de Rochas Ornamentais
Figura 3: Características Químicas das partículas de resíduo de Granito
4.1.3. Escórias de Aciaria
A escória de aciaria utilizada foi Escória de Aciaria com Redução de Expansão -
ACERITA®, fornecida pela ArcelorMittal. A empresa está localizada em Jardim Limoeiro,
Serra, próxima ao Porto de Praia Mole, na região da Grande Vitória - ES. ACERITA® é um
coproduto siderúrgico que depois de britado e separado em faixas granulométricas adequadas,
é submetido a um tratamento para redução de expansão. Esse processo consiste em
"estimular" a reação dos óxidos livres a partir de reação dos mesmos com o ar e a água,
através de um processo de umectação e aeração da escória durante certo período de tempo.
Durante o período de tratamento para a redução da sua capacidade de expansão, a escória de
aciaria é permanentemente monitorada através de ensaios de laboratório e testes previstos
pelas normas do DNIT para utilização em base e sub-base dos pavimentos rodoviários. Ao
atingir um valor de expansão que atenda as normas técnicas, o processo é interrompido e o
material é disponibilizado para o mercado com o nome de ACERITA® - Escória de Aciaria
com Redução de Expansão. As amostras de ACERITA® foram coletadas e enviadas ao
LEMAC-UFES, onde foram submetidas a secagem em estufa (105°C), moídas através do
moinho de argolas, com o objetivo de reduzir o diâmetro de suas partículas, peneirado em
peneira de malha quadrada de abertura 0,075mm, homogeneizada, quarteada e estocada em
sacos plásticos. A textura final do resíduo pronto para aplicação na mistura pode ser
visualizada na Figura 4, já na Figura 5, pode-se notar a granulometria das partículas feitos
através do ensaio de difratometria a laser, e, por fim, na Figura 6, os elementos químicos mais
comuns encontrados nas partículas de Escória Moída de Aciaria feito através de ensaio de
difração de raio X.
Figura 4: Amostra da Escória Moída de Aciaria.
Figura 5: Diâmetro das partículas de Escória Moída de Aciaria
Figura 6: Características Químicas das partículas de Escória Moída de Aciaria
4.1.4. Mástiques
Um dos objetivos desse trabalho é correlacionar os resultados obtidos através da avaliação das
propriedades reológicos de mástiques com os resultados encontrados no estudo proposto por
Gottardi et al. (2013), onde foi verificado a influência do fíler no comportamento mecânico de
concretos asfálticos produzidos com a incorporação de Resíduos de Beneficiamento de
Rochas Ornamentais (RBRO) e de Escória Moída de Aciaria (EMA), e ambos os resíduos
incorporados simultaneamente nas proporções 50%-50%, através de ensaios de estabilidade e
fluência Marshall, resistência à tração por compressão diametral, desgaste Cântabro e dano
por umidade (Ensaio de Lottman Modificado). No estudo de Gottardi et al. (2013), utilizou-se
a relação f/b de 0,36, conforme Tabela 2.
Tabela 2 - Percentual de material para formação dos mástiques estudados
Materiais EMA RBRO 50%EMA/50%RBRO
Teor de CAP (%) 5,21 5,21 5,17
Fíler 1,90 1,90 1,90
f/b 0,36 0,36 0,36
Fonte: Adaptado de Gottardi et al. (2013).
No estudo realizado por Magalhães (2004), o autor revela que a FHWA (Federal Highway
Administration) determina valores entre 0,6 e 1,2 (AASHTO MP2-01) para a proporção
fíler/ligante, de maneira geral nos casos em que a granulometria passe abaixo da zona restrita
os limites podem ser alterados para 0,8 a 1,6. Recomenda-se que quanto mais fino o pó, mais
baixo deva ser esta relação e como a granulometria do fíler de cimento Portland está numa
faixa intermediária se comparada com os outros tipos de fíleres convencionais (pó calcário,
cal hidratada e pó de pedra) pode-se considerar que o mastigue formado pela mistura em
estudo está próximo do limite superior dos valores recomendáveis.
No presente estudo, iniciou-se a análise da relação f/b de 0,36 para verificação das
propriedades reológicas. Os mástiques foram produzidos utilizando um misturador mecânico.
Outras proporções f/b serão estudadas futuramente para complementar este estudo.
4.2. Métodos
Para a realização dos ensaios oscilatórios (varredura de deformação e frequência), foi
utilizado um reômetro rotacional modelo AR 2000ex (TA Instruments), Figura 7. Existem
diversos tipos de geometria para a realização do ensaio oscilatório. Será escolhida a geometria
de placas paralelas, que possui diâmetro de 8 mm e espaçadas de 2 mm, que é uma das
geometrias utilizadas em normas internacionais. Para manter as amostra nas temperaturas de
ensaio de 10, 25 e 40o
C, utilizou-se um dispositivo protetor (peltier).
Figura 7: Reômetro rotacional com geometria de placas paralelas com Peltier
4.2.1. Ensaio Oscilatório de varredura de deformação
Ensaio que foi realizado com a oscilação da a amplitude de deformação entre 10-4
e 10-2
nas
frequências de 0,1,e 10 Hz, nas temperaturas de 40 e 10 para determinação da deformação
crítica para que as amostras estejam submetidas a deformações na região linear viscoelástica
durante o ensaio de varredura de frequência.
A deformação crítica será estabelecida como a deformação correspondente no ponto onde o
módulo de cisalhamento dinâmico G* tem uma redução de 10%, onde ocorre a
desestruturação do mástique.
4.2.2. Ensaio Oscilatório de varredura de frequência
Com a deformação crítica estabelecida pelo ensaio de varredura de deformação, foi realizado
o ensaio de varredura de frequência estabelecendo a temperatura de 25°C como referência.
Para a construção da curva-mestre, será empregado o princípio de superposição tempo-
temperatura, em função de faixas de frequência de 0,1, 1 e 10Hz, para o intervalo de
temperaturas de 10 a 40°C.
4. RESULTADOS PRELIMINARES
As Figuras 8 e 9 mostram os resultados do ensaio de Varredura de Deformação obtidos para
as amostras com relação f/b de 0,36.
Figura 8: Varredura de Deformação à 40C e 0.1Hz para amostra com relação f/b de 0,36.
Figura 9: Varredura de Deformação à 10C e 10Hz para amostra com relação f/b de 0,36.
Pela análise das Figuras 8 e 9, é possível verificar que as misturas com adição de EMA
tendem a ter um valor de módulo de cisalhamento dinâmico superior às misturas com adição
somente de RBRO, mesmo sendo adicionado a mesma quantidade em massa dos resíduos.
Através dos resultado, também é possível determinar valores de deformação para os quais o
material ainda se encontra na região linear viscoelástica (LVE). Para estes mástiques, foi
utilizado os valores de 0,2% de deformação para os ensaios de varredura de frequência para
posterior análise das curvas mestre.
A Figura 10 mostra os resultado das curvas mestres construídas utilizando o método de
Arrhenius com os resultado do ensaio de varredura de frequência para os mástiques estudados
na temperatura de referência (25 C).
Figura 10: Curvas mestre do módulo de cisalhamento dinâmico obtidas para os
mástiques estudados
Figura 10: Curvas mestre do ângulo de fase obtidas para os mástiques estudados
Pela análise da Figura 10, é possível comprovar que mástiques produzidos com adição
de dois resíduos (50% de RBRO e 50% de EMA) tiveram valores superiores de módulo de
cisalhamento dinâmico. Estes resultado corroboram com o comportamento mecânico
encontrado por Gottardi et al. (2013) mostrados na Tabela 3, onde misturas que tiveram
adição de RBRO/EMA tiveram desempenho mecânico superior às misturas com adição de
RBRO ou EMA somente. A adição de EMA causou uma redução no ângulo de fase, aumento
assim a fase elástica dos mástiques, sugerindo superioridade quanto a elasticidade.
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03
Mó
du
lo d
e C
isa
lha
men
to D
inâ
mic
o (
Pa
)
Frequência Reduzida (Hz)
RBRO/EMA_25C
RBRO_25C
EMA_25C
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03
Ân
gu
lo d
e fa
se,
()
Frequência Reduzida (Hz)
RBRO/EMA_25C
RBRO_25C
EMA_25C
Tabela 3: Resultados dos ensaios de Estabilidade e fluência Marshal e RT.
Ensaios RBRO EMA RBRO/EMA
Estabilidade
(kgf) 1121 1234 1195
Fluência (mm) 2,38 2,91 2,38
RT (Mpa) 0,69 0,69 0,79
Fonte: Adaptado de Gottardi et al. (2013)
4 CONCLUSÕES
Os resíduos de RBRO, EMA e da mistura de 50%RBRO+50%EMA, apresentaram
uma distribuição do tamanho das partículas característica de fíler ativo, pois todas foram
passadas na peneira de malha quadrada n° 200. Não apresentaram solibilidade quando
imersos em querosene, o que sugere que os resíduos permanecem inertes quando envolvidos
pelo CAP da mistura asfáltica.
Os resíduos de RBRO, EMA e da mistura de RBRO+EMA foram utilizados para
produção de mástiques asfálticos e as propriedades reológicas foram avaliadas. Em estudo
anterior, Gottardi et al. (2013) apontaram que a adição destes materiais promovem melhoras
no concreto asfáltico quando comparadas a um concreto referência (sem adição de resíduo).
Neste estudo, os resultados dos parâmteros reológicos obtidos corroboraram com os valores
encontrados no estudo de referência, onde amostras com adição de RBRO/EMA apresentaram
incremento superior no módulo de cisalhamento dinâmico em comparação com amostras com
adição de RBRO e EMA somente.
A viabilidade técnica destes materiais promove não somente a dosagem de misturas
mais resistentes, como também promove uma destinação ambientalmente correta e aceitável
dos rejeitos que são depositados a céu aberto nos pátios.
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