ministÉrio da defesa exÉrcito brasileiro departamento de...

MINISTÉRIO DA DEFESA

EXÉRCITO BRASILEIRO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE TRANSPORTES

ROSSANA GONÇALVES DE VALADARES

COMPORTAMENTO MECÂNICO DE AREIA-ASFALTO CONTENDO

RESÍDUO DO BENEFICIAMENTO DO MINÉRIO DE FERRO

Rio de Janeiro

2016

2





Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em

Engenharia de Transportes do Instituto Militar de Engenharia,

como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em

Ciências em Engenharia de Transportes.

Orientador: Prof. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães – D.Sc.

Rio de Janeiro

2016

3

c 2016


Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha

Rio de Janeiro – RJ CEP: 22.290-270

Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em

base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de

arquivamento.

É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste

trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado,

para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que

seja feita a referência bibliográfica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s)

orientador(es).

629.04 Valadares, Rossana Gonçalves de

V136c Comportamento mecânico de areia-asfalto contendo resíduo do

beneficiamento do minério de ferro/ Rossana Gonçalves de Valadares;

orientada por Antônio Carlos Rodrigues Guimarães. – Rio de Janeiro:

Instituto Militar de Engenharia, 2016.

113 p.: il.

Dissertação (Mestrado). – Instituto Militar de Engenharia, Rio de

Janeiro, 2016.

1. Curso de Engenharia de Transportes – teses e dissertações. 2. Minério

de ferro. 3. Pavimento rodoviário. I. Guimarães, Antonio Carlos

Rodrigues. II. Título. III. Instituto Militar de Engenharia.

4





Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de

Transportes do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do

título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.

Orientador: Prof. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães – D.Sc.

Aprovada em 11 de Março de 2016 pela seguinte Banca Examinadora:

Maj. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães – D.Sc. do IME – Presidente

Prof. Maj. Ben-Hur de Albuquerque e Silva – D.Sc. do IME

Prof. Michéle Dal Toé Casagrande – D.Sc. da PUC/RJ

Rio de Janeiro

2016

5

Á Deus pelo seu infinito amor e graça, e por ser

crucial em minha vida. Aos meus pais e minha

irmã.

6

AGRADECIMENTOS

Expresso aqui os meus mais sinceros agradecimentos.

Agradecimento primordial não poderia deixar de ser a Deus, pelo teu infinito amor e que

me permitiu sonhar de uma forma que alargasse meus horizontes, vem dEle tudo o que sou, o

que tenho e o que espero. Sou grata por tudo meu Pai! Tudo posso naquele que me fortalece!

À minha amada família! Obrigada aos meus pais, pois de vocês recebi o dom mais

preciso: a vida. Pelo apoio imensurável, pelos conselhos, compreensão, pelo amor sem

medidas. Eu amo muito vocês! À minha irmã que tanto amo e ao meu cunhado, muito

obrigada pelo apoio a carinho. Sem esquecer meus familiares e amigos, que sempre me

apoiaram e incentivaram. Vocês foram muito importantes nessa jornada!

À Primeira Igreja Batista de Botafogo, em especial: Pr. Márcio, Salete e Abner, pelo

acolhimento maravilhoso, pelos conselhos essenciais, pelo suporte e amor do Senhor. Aos

jovens da PIBB, destacando Ludimilla, Irene, Rose, Késia, Marli e Geremy, agradeço pela

companhia, pelos momentos de comunhão e de gratidão ao Senhor.

Ao meu orientador, Major Guimarães, pelos conhecimentos transmitidos e pela paciência.

Aos professores, pelo ensinamento e dedicação.

À minha amiga Virlene, pela companhia agradabilíssima em todos os momentos, sendo

bons ou ruins, pela sabedoria e alegria mantida pra enfrentar as adversidades e pelo apoio

constante. Á minha amiga Clau, pelos conselhos, por estar sempre alegre e de bem com a vida

e pela sua experiência. Ao meu amigo Rodrigo, que iniciou comigo essa aventura, agradeço

pelo seu companheirismo, gentileza e modernidade. Obrigada por se tornarem amigos

especiais que eu sei que posso contar. A Fátima, pelas boas risadas, pelos bombons e comidas

deliciosas. XEPA!!!

Aos amigos do Programa de Pós Graduação em Engenharia de Transportes, pelas

experiências, conselhos e parceria. Gostaria de destacar: Luana, Gabriela, Priscila, Jefferson,

Izabel, Wagna, Major Arêdes, Capitão Iran. Aos alunos novos da PGT, em especial a Mayssa.

Obrigada pelo apoio constante na reta final deste trabalho.

Aos técnicos do laboratório de ligantes do IME, André, Felipe e Fátima, e do de Solos,

Sgt Melo, Sgt Gonçalves, Sgt Dias e os soldados Ryan, Castro e Fonseca por serem sempre

sorridentes, atenciosos, prestativos e de prontidão para contribuir com a realização dos

7

ensaios e no auxilio. Aos funcionários do IME, em especial ao Joel, Carmem Dias, Carmem e

Sargento Oazem, pelo apoio e compreensão. Á Ipê Engenharia, em especial Sr. Jorge.

“A persistência é o caminho do êxito”.

CHARLES CHAPLIN

8

SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES .................................................................................................... 11

LISTA DE TABELAS ............................................................................................................. 13

LISTA DE SIGLAS ................................................................................................................. 14

LISTA DE ABREVIATURAS ................................................................................................ 15

1 INTRODUÇÃO...................................................................................................... 18

1.1 Considerações iniciais ......................................................................................................... 18

1.2 Objetivo ............................................................................................................................... 19

1.3 Justificativa e relevância ..................................................................................................... 20

1.4 Estrutura do trabalho ........................................................................................................... 21

2 REVISÃO DA LITERATURA ............................................................................. 22

2.1 A mineração no Brasil ......................................................................................................... 22

2.2 O minério de ferro ............................................................................................................... 25

2.3 Beneficiamento do minério de ferro .................................................................................... 27

2.3.1 Geração de resíduos na mineração ...................................................................................... 29

2.3.2 Caracterização dos resíduos de minério de ferro ................................................................. 31

2.3.3 Características químicas e mineralógicas ............................................................................ 32

2.3.4 Características ambientais ................................................................................................... 33

2.3.5 O emprego em pavimentação .............................................................................................. 34

2.4 Pavimentos rodoviários ....................................................................................................... 38

2.5 Revestimento asfáltico ........................................................................................................ 39

2.6 Cimentos asfálticos de petróleo (cap).................................................................................. 40

2.6.1 Cimentos asfálticos modificados por polímero ................................................................... 41

2.7 Misturas asfálticas ............................................................................................................... 42

2.7.1 Areia asfalto usinada a quente ............................................................................................. 43

2.8 Dosagens de misturas asfálticas .......................................................................................... 46

2.8.1 Método Marshall ................................................................................................................. 47

2.8.2 Determinação do teor ótimo ................................................................................................ 50

3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................. 52

3.1 Materiais .............................................................................................................................. 52

3.1.1 Resíduo arenoso da mineração de ferro............................................................................... 52

9

3.1.2 Pó de pedra .......................................................................................................................... 53

3.1.3 Cimento asfáltico de petróleo (cap) ..................................................................................... 54

3.2 Métodos ............................................................................................................................... 55

3.2.1 Caracterização dos agregados ............................................................................................. 57

3.2.1.1 Granulometria ...................................................................................................................... 57

3.2.1.2 Densidade real ..................................................................................................................... 57

3.2.1.3 Equivalente de areia ............................................................................................................ 58

3.2.1.4 Durabilidade ........................................................................................................................ 59

3.2.1.5 Adesividade ......................................................................................................................... 59

3.2.1.6 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ..................................................................... 60

3.2.2 Caracterização dos cimentos aslfálticos de petróleo ........................................................... 61

3.2.2.1 Penetração ........................................................................................................................... 62

3.2.2.2 Viscosidade Brookfield ....................................................................................................... 62

3.2.2.3 Ponto de amolecimento ....................................................................................................... 63

3.2.2.4 Ductilidade .......................................................................................................................... 63

3.2.3 Dosagem das misturas asfálticas – aauq .............................................................................. 64

3.2.4 Compactação Marshall ........................................................................................................ 65

3.2.5 Ensaios mecânicos ............................................................................................................... 66

3.2.5.1 Ensaio de resistência a tração .............................................................................................. 66

3.2.5.2 Ensaio de módulo de resiliência .......................................................................................... 67

3.2.5.3 Ensaio de vida de fadiga ...................................................................................................... 69

3.2.6 Dimensionamento do pavimento ......................................................................................... 71

3.2.7 Análise de custo .................................................................................................................. 75

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................... 76

4.1 Caracterização dos agregados ............................................................................................. 76

4.1.1 Granulometria ...................................................................................................................... 76

4.1.2 MEV e EDS ......................................................................................................................... 78

4.1.3 Caracterização dos cimentos asfalticos de petróleo ............................................................ 80

4.1.4 Dosagem dos traços de aauq ............................................................................................... 83

4.1.5 Compactação Marshall ........................................................................................................ 86

4.1.5.1 Traço 1 ................................................................................................................................. 86

4.1.5.2 Traço 2 ................................................................................................................................. 87

4.1.5.3 Traço 3 ................................................................................................................................. 89

4.1.5.4 Traço 4 ................................................................................................................................. 90

10

4.1.5.5 Comparação entre os traços ................................................................................................. 91

4.1.6 Ensaios mecânicos ............................................................................................................... 93

4.1.6.1 Resistência a tração ............................................................................................................. 93

4.1.6.2 Módulo de resiliência .......................................................................................................... 95

4.1.6.3 Vida de fadiga ..................................................................................................................... 98

4.2 Dimensionamento do pavimento ....................................................................................... 100

4.3 Análise de custo ................................................................................................................ 101

5 CONCLUSÕES .................................................................................................... 105

5.1 Sugestões para trabalhos futuros ....................................................................................... 107

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................. 108

11

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIG. 2.1 Companhias mineradoras no Brasil (DNPM, 2014). .......................................................... 23

FIG. 2.2 Produção Mineral Brasileira - PMB (IBRAM, 2015). ........................................................ 25

FIG. 2.3 Produção do minério de Ferro (DNPM, 2014).................................................................... 26

FIG. 2.4 Distribuição da produção de alguns bens minerais em Minas Gerais (IBRAM, 2014). ..... 27

FIG. 2.5 Fluxograma típico do beneficiamento de minério de Ferro (CORDEIRO, 2014). ............. 28

FIG. 2.6 Contribuição percentual média de cada substância na geração de resíduos da atividade de

mineração no Decênio 1996-2005 (IPEA, 2012). ............................................................... 30

FIG. 2.7 Contribuição percentual média de cada substância na geração de resíduos da atividade de

mineração no período 2010-2030 (IPEA, 2012). ................................................................ 31

FIG. 2.8 Ensaio de MEV e EDS do resíduo arenoso (GALHARDO, 2015). .................................... 32

FIG. 2.9 Estrutura de um Pavimento. ................................................................................................ 39

FIG. 2.10 Moldagem de corpos-de-prova tipo Marshall. .................................................................... 48

FIG. 2.11 Equipamento para o ensaio de estabilidade Marshall. ........................................................ 49

FIG. 2.12 Exemplo de curvas dos parâmetros na dosagem Marshall (BERNUCCI, 2008). ............... 49

FIG. 2.13 Representação esquemática dos grupos de corpos-de-prova (BERNUCCI, 2008)............. 50

FIG. 2.14 Teor de asfalto versus Vv e RBV (BERNUCCI, 2008). ..................................................... 51

FIG. 3.1 Barragem de Germano. ....................................................................................................... 52

FIG. 3.2 Armazenamento das amostras em tambores. ...................................................................... 53

FIG. 3.3 Agregado miúdo.................................................................................................................. 54

FIG. 3.4 Fluxograma das etapas do estudo experimental .................................................................. 55

FIG. 3.5 Picnômetro com amostra de pó de pedra e resíduo durante a realização do ensaio. ........... 58

FIG. 3.6 Equipamentos para o ensaio de equivalente de areia. ......................................................... 59

FIG. 3.7 Equipamentos para o ensaio de MEV e EDS. ..................................................................... 60

FIG. 3.8 Viscosímetro Brookfield. .................................................................................................... 63

FIG. 3.9 Passo a passo para confecção das misturas. ........................................................................ 65

FIG. 3.10 Esquema do ensaio de RT por compressão diametral. ........................................................ 67

FIG. 3.11 Equipamento para ensaio de RT. ........................................................................................ 67

FIG. 3.12 Equipamento para ensaio de MR. ....................................................................................... 69

FIG. 3.13 Equipamento para ensaio de Vida de Fadiga. ..................................................................... 71

FIG. 3.14 Fluxograma do SisPav. ....................................................................................................... 72

FIG. 3.15 Estrutura do pavimento típico adotado. .............................................................................. 73

FIG. 4.1 Representação das Curvas granulométricas dos agregados. ............................................... 77

FIG. 4.2 Imagem obtida pelo MEV com aumento de 250x (A) e 1000 (B). ..................................... 78

FIG. 4.3 Imagem obtida pelo EDS das duas frações da amostra. ...................................................... 79

FIG. 4.4 Curva viscosidade x temperatura do CAP. ......................................................................... 81

FIG. 4.5 Curva viscosidade x temperatura do CAP. ......................................................................... 83

FIG. 4.6 Representação das curvas granulométricas das misturas. ................................................... 85

FIG. 4.7 Teor de asfalto versus Vv e RBV do T1. ............................................................................ 87



12


FIG. 4.11 RT dos traços avaliados. ..................................................................................................... 93

FIG. 4.12 Resultados médios de MR para cada traço. ........................................................................ 96

FIG. 4.13 Curva de Δσ x N. ............................................................................................................... 98

FIG. 4.14 Curva de εr x N. ................................................................................................................. 99

FIG. 4.15 Ficha de composição de custo do Resíduo. (DNIT, 2015) .............................................. 101

FIG. 4.16 Ficha de composição de custo de AAUQ para o T1. ....................................................... 102

FIG. 4.17 Ficha de composição de custo de AAUQ para T3. .......................................................... 102

FIG. 4.18 Ficha de composição de custo de AAUQ para T3 com 50 km. ....................................... 103

13

LISTA DE TABELAS

TAB. 2.1 Produção de bens minerais. ................................................................................................. 24

TAB. 2.2 Principais resultados dos inventários de resíduos sólidos de mineração de Minas Gerais

(2008-2009). ........................................................................................................................ 30

TAB. 2.3 Termos aplicáveis aos revestimentos asfálticos. ................................................................. 40

TAB. 3.1 Quantitativo de corpos de prova por etapa. ......................................................................... 56

TAB. 3.2 Ensaios de caracterização dos agregados. ........................................................................... 57

TAB. 3.3 Caracterização do CAP 70/90-E utilizado nesta pesquisa. .................................................. 61

TAB. 3.4 Caracterização do CAP 30/45 utilizado nesta pesquisa.. ..................................................... 62

TAB. 3.5 Especificações quanto à granulometria para misturas asfálticas do tipo AAUQ com

polímero. ............................................................................................................................. 64

TAB. 3.6 Especificações quanto à granulometria para misturas asfálticas do tipo AAUQ. ............... 64

TAB. 3.7 Parâmetros de referência para AAUQ – DNER-ES 387 (1999) ......................................... 65

TAB. 3.8 Parâmetros de referência para AAUQ – DNIT-ES 032 (2005) ........................................... 66

TAB. 3.9 Espessura mínima de Revestimento Betuminoso. ............................................................... 74

TAB. 4.1 Resultados dos ensaios de caracterização dos agregados. ................................................... 76

TAB. 4.2 Resultados dos ensaios de caracterização dos agregados .................................................... 78

TAB. 4.3 Composição química do resíduo por meio do EDS. ............................................................ 79

TAB. 4.4 Caracterização do CAP 70/90 -E. ........................................................................................ 80

TAB. 4.5 Parâmetros e referências para a determinação da temperatura. ........................................... 81

TAB. 4.6 Caracterização do CAP 30/45. ............................................................................................ 82

TAB. 4.7 Parâmetros e referências para a determinação da temperatura. ........................................... 83

TAB. 4.8 Nomenclatura das traços das misturas asfálticas. ................................................................ 84

TAB. 4.9 Composição de cada traço de AAUQ. ................................................................................. 84

TAB. 4.10 Granulometrias das misturas para Marshall. ....................................................................... 85

TAB. 4.11 Parâmetros obtidos para o T1. ............................................................................................. 86




TAB. 4.15 Percentual do Teor de Projeto dos Traços. .......................................................................... 92

TAB. 4.16 Parâmetros finais da dosagem Marshall. ............................................................................. 92

TAB. 4.17 Resultados do ensaio de MR para os traços. ....................................................................... 95

TAB. 4.18 Resultado dos ensaios de MR, RT e da relação MR/RT. .................................................... 97

TAB. 4.19 Parâmetros das curvas de vida de fadiga. ............................................................................ 99

TAB. 4.20 Estimativa do dimensionamento pelo SisPav de um pavimento de 5,0cm. ....................... 100

14

LISTA DE SIGLAS

ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANP Agência Nacional de Petróleo

ASTM American Society for Testing and Materials

CVRD Companhia Vale do Rio Doce

CSN Companhia Siderúrgica Nacional

DERBA Departamento de Infraestrutura da Bahia

DEGEO Departamento de Geologia da Universidade Federal de Ouro Preto

DNER Departamento Nacional de Estradas e Rodagem

DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes

DNPM Departamento Nacional de Produção Mineral

EDS Espectrospia de Energia Dispersiva

EFVM Estrada de Ferro Vitória a Minas

EVA Etileno Acetato de Vinila

FEAM Fundação Estadual de Meio Ambiente

GMM Densidade Efetiva da mistura

GMB Densidade Teórica da mistura

IBRAM Instituto Brasileiro de Mineração

IPEA Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada

IPM Índice de Produção Mineral

IPR Instituto de Pesquisas Rodoviárias

ISC Índice de Suporte Califórnia

LVDT Linear Variable Differential Transformer

MCT Miniatura, compactado, tropical

MEV Microscopia Eletrônica de Varredura

MPa MegaPascal

NBR Norma Brasileira Regulamentadora

PROBITEC Produtos Betuminosos

RTFOT Rotating Thim Film Oven Test

SBR Borracha de Butadieno Estireno

SBS Estireno-butadieno-estireno

SGC Compactador Giratório Superpave

SICRO 2 Sistema de Custo Rodoviário 2

SisPav Sistema de Dimensionamento de Pavimentos

15

LISTA DE ABREVIATURAS

AAUQ - Areia-Asfalto Usinada à Quente

CAP - Cimento Asfáltico de Petróleo

CBUQ - Concreto Betuminoso Usinado à Quente

CP - Corpo de prova

CPs - Corpos de prova

CSN - Companhia Siderúrgica Nacional

MR - Módulo de Resiliência

PMB - Produção Mineral Brasileira

RBV - Relação Betume-Vazios

RCD - Resíduos de Construção e Demolição

RT - Resistência à Tração

SCP - Solo Contaminado por Petróleo

TC - Tensão Controlada

VV - Volume de Vazios

VAM - Vazios do Agregado Mineral

16

RESUMO

O excessivo volume de resíduos da mineração e o grande apelo ambiental inserido no

cenário atual vêm promovendo a gestão deste material, tanto pelo setor estatal quanto pelo

privado. O Estado instaurou políticas de fiscalização, enquanto que as empresas têm buscado

métodos mais eficazes de estocagem e reciclagem desses resíduos. O aproveitamento desses

materiais em aplicações de engenharia representa, além de uma medida sustentável, uma

redução nos custos, uma vez que podem ser utilizados em substituição a materiais já

consagrados. Não obstante, várias aplicações já foram estudadas e este ramo tem evoluído

bastante nos últimos anos. O resíduo arenoso estudado foi coletado no município de Mariana -

MG, fruto do beneficiamento do minério de ferro da empresa Samarco S.A. Esta pesquisa tem

como objetivo principal a avaliação do comportamento mecânico de misturas asfálticas

utilizando resíduo do beneficiamento do minério de ferro em substituição ao agregado miúdo

nas misturas asfálticas do tipo Areia Asfalto Usinado à Quente, visando seu emprego na

camada de revestimento de um pavimento rodoviário. Para isso, realizou-se a caracterização

dos materiais, a determinação do traço e o teor ótimo de ligante, por meio da volumetria e dos

ensaios de fluência e estabilidade, incluídos no Método Marshall e especificados em norma.

Para a avaliação mecânica foram realizados os ensaios de resistência à tração, módulo

resiliente e vida de fadiga. Também pelo programa SisPav foi realizada uma simulação de um

pavimento contendo os traços estudados e uma análise de custo foi apresentada no intuito de

evidenciar a viabilidade do emprego do resíduo neste tipo de mistura asfáltica. Conclui-se que

os traços com resíduo são compatíveis a todas às normas vigentes para a utilização em

misturas asfálticas, podendo ser utilizado como camada de revestimento em vias de baixo

tráfego. Destaca-se o traço com 50% de resíduo em sua composição, que apresentou

características mecânicas satisfatórias e viáveis economicamente, proporcionando uma

minimização dos problemas ambientais gerados por estes resíduos na atividade mineradora.

17

ABSTRACT

The excessive volume of mining waste and the great environmental appeal inserted in

the current scenario have been promoting the management of these materials, both the state

sector and the private sector. The State established supervisory policies, while companies

have been sesarching for more effective methods of storage and recycling of such waste. The

use of these materials in engineering applications represents, in addition to a sustainable

measure, a reduction in costs, since it can be used in replacing the materials have already

consecrated. Nevertheless, several applications have already been studied and this field has

evolved greatly in recent years. The sandy residue studied was collected in the municipality of

Mariana - MG, due to the improvement of the company's iron ore Samarco SA This research

has as objective the evaluation of the mechanical behavior of asphalt mixtures using

residue on the beneficiation of iron ore in replacement of the aggregate in the asphalt mixtures

type Sand Asphalt Machined to Hot, aiming its use in the employment in the coating layer of

a road surface. For this reason, was carried out the characterization of the materials, the

determination of trace and the optimum content of binder, through the volumetry, fluency and

stability tests, included in the Marshall method and specified in standard. For mechanical

evaluation were carried out the tensile test, resilient modulus and fatigue life. Also by SisPav

program it was carried out a simulation of a paving containing the mixtures studied s and a

cost analysis was presented in order to demonstrate the feasibility of the employment of the

residue in this type of asphalt mix. It is concluded that the traces with residue are compatible

with all the current regulations for use in asphalt mixtures and can be used as a coating layer

on low traffic routes. Noteworthy is the T3 line that, with 50% of waste in its composition,

presented satisfactory and viable economically mechanical characteristics, thereby providing

a minimization of environmental problems caused by these wastes in mining activity.

18

1 INTRODUÇÃO

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

O conceito de “Desenvolvimento Sustentável”, criado em março de 1991 pela European

Commission Directive 91/156/EEC, aborda como itens chaves a proteção do solo e água, a

limitação de geração de resíduos e a sua reutilização. Para alcançá-lo, uma alternativa

plausível é a aplicação de ações de sustentabilidade tais como: melhor aproveitamento das

matérias-primas, reaproveitamento e a disposição adequada dos resíduos que estão impróprios

para o uso, visando garantir a médio e longo prazo um planeta em boas condições para o

desenvolvimento das diversas formas de vida, inclusive a humana.

A reutilização dos resíduos contribui para a minimização dos impactos ambientais e para

a redução da extração de matérias-primas, preservando assim os recursos naturais e zelando

pela qualidade ambiental. É uma forma mais desejável que a disposição em aterros, área esta

que pode ser empregada para outros fins mais nobres.

Em parceria com empresas privadas, diversas instituições de ensino vêm desenvolvendo

projetos de pesquisas inovadores com vistas ao reaproveitamento dos resíduos, como por

exemplo, a aplicação dos mesmos como agregados alternativos para a pavimentação asfáltica,

a qual é largamente utilizada na malha de transportes brasileira.

Os agregados utilizados para a pavimentação podem ser classificados como naturais,

artificiais ou reciclados. O natural inclui todas as fontes de ocorrência natural e são obtidos

por processos convencionais de desmonte, escavação e dragagem em depósitos continentais e

podem ser utilizados na forma e tamanho que são encontrados na natureza ou passam por

processos de britagem. Os agregados artificiais são oriundos de processos industriais.

(BERNUCCI et. al, 2008).

A mineração é um dos setores básicos da economia do país, contribuindo de forma

decisiva para o bem estar e a melhoria da qualidade de vida, tanto para a geração presente

quanto para a que está por vir. É fundamental para o desenvolvimento de uma sociedade

equânime que os processos minerários sejam operados com responsabilidade social, estando

sempre atuantes os preceitos do desenvolvimento sustentável, sendo importante reconhecer e

19

manter sob controle os impactos que esta atividade provoca no meio ambiente (SILVA,

1981).

De acordo com o Instituto Brasileiro de Mineração (IBRAM), tem-se observado um

crescimento da produção mineral nos últimos anos, em 2014 a produção mineral brasileira

resultou em torno de US$ 43 bilhões.

Na atividade de mineração são gerados dois tipos principais de resíduos, sendo eles, os

estéreis, produzidos pela lavra ou retirada do minério da jazida, e os resíduos, produzidos pelo

seu beneficiamento.

Neste contexto, a utilização do resíduo oriundo do beneficiamento do minério de ferro se

apresenta bastante atrativa, como uma forma alternativa de dispor adequadamente de parte da

produção gerada, contribuindo assim para a redução dos impactos ambientais e possibilitando

o seu emprego como material de construção para fins rodoviários.

1.2 OBJETIVO

O objetivo principal deste trabalho é estudar o comportamento mecânico de misturas

asfálticas tipo areia-asfalto, considerando dois teores do resíduo do beneficiamento do

minério de ferro, para dois tipos de ligantes asfálticos, a partir dos ensaios fundamentais da

mecânica dos pavimentos.

Dentre os objetivos específicos estão:

Realizar ensaios de caracterização física e química dos materiais estudados;

Realizar dosagens de misturas asfálticas tipo areia-asfalto para dois teores do resíduo

arenoso do beneficiamento do minério de ferro, considerando dois tipos distintos de

ligantes asfálticos;

Realizar ensaios tradicionais de avaliação do comportamento mecânico

complementados por ensaios de Módulo de Resiliência e Fadiga, ambos por

compressão diametral.

Simular o dimensionamento do pavimento asfáltico, com inserção do resíduo, pelo

programa SisPav.

Realizar uma avaliação econômica e ambiental do emprego do resíduo em pavimentos

asfálticos.

20

1.3 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA

No segmento de minerais industriais, o minério de ferro constitui uma das matérias-

primas mais presentes no dia-a-dia das pessoas, sendo utilizado em uma variedade de

produtos e processos essenciais para a vida cotidiana, tais como: veículos de transporte, linhas

de transmissão de energia elétrica, elemento estrutural para a construção de edifícios e casas,

entre outras infinidades de aplicações.

Com o alto e crescente volume de resíduos que são gerados pela produção de minério de

ferro, muitas mineradoras estão pesquisando maneiras mais sustentáveis para sua disposição,

como por exemplo, a utilização dos mesmos na construção civil e em estradas, resultando

assim tanto na diminuição da disposição destes resíduos na natureza, como na redução da

exploração de minerais naturais.

Cabe ressaltar que, a atividade mineradora provoca impactos ao meio ambiente podendo

ser irreversíveis, sendo que os principais problemas oriundos da mineração são: poluição da

água, do ar e sonora, resíduos radioativos, subsidência do terreno, entre outros.

Vislumbrando o emprego em obras de pavimentação, a mineradora SAMARCO S/A está

desenvolvendo em parceria com o Instituto Militar de Engenharia (IME) um projeto que

estuda a possibilidade de utilização de resíduos da mineração do Fe como material de

construção, tanto do ponto de vista técnico quanto ambiental. No ano de 2014, a geração de

resíduos, entre arenosos e lamas, atingiu 21,978 milhões de toneladas (SAMARCO, 2014).

Ao longo do projeto, já foi evidenciado por FRIBER (2015), a viabilidade do uso do

resíduo argiloso para a fabricação de agregado sintético calcinado. No mesmo ano

GALHARDO, estudou o emprego do mesmo em camadas de base e sub-base de pavimentos.

Em fase final mais dois estudos estão sendo realizados com enfoque em misturas asfálticas,

sendo eles, microrrevestimento e lama asfáltica e concreto asfáltico usinado a quente.

Contudo, o presente estudo visa desenvolver diferentes traços de misturas asfálticas, do

tipo areia asfalto, utilizando a fração arenosa do resíduo do beneficiamento do minério de

ferro, em substituição do agregado miúdo na composição granulométrica das misturas, o que

é bastante válido, pois o emprego do mesmo para fins rodoviários torna-se uma alternativa

tecnologicamente viável e ambientalmente correta.

21

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

Esta dissertação está estruturada em 5 capítulos, assim distribuídos:

Capítulo 1 – Apresentação

São descritos os aspectos gerais que nortearam os estudos, a justificativa, os objetivos

geral e específico da pesquisa e, também, apresenta como a pesquisa está exposta e

organizada.

Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

É apresentada uma revisão de literatura sobre os assuntos abordados no decorrer do

trabalho como os tipos de misturas asfálticas, os tipos de dosagens e caracterização mecânica.

Como também o uso do resíduo de minério de ferro na pavimentação considerando as

experiências internacionais e nacionais, e as interações entre o resíduo em estudo e o meio

ambiente.

Capítulo 3 – Programa Experimental

É feita a apresentação do procedimento experimental adotado na pesquisa, além do

detalhamento e descrição dos materiais utilizados, métodos e ensaios adotados de acordo com

as normas vigentes.

Capítulo 4 – Resultados Obtidos

São mostrados os resultados laboratoriais dos ensaios realizados, divididos em cinco

tópicos:

a) Caracterização dos materiais

b) Dosagens das misturas asfálticas

c) Compactação Marshall

d) Análise do comportamento mecânico das misturas estudadas

e) Dimensionamento do pavimento

Capítulo 5 – Conclusões e Recomendações

São apresentadas as conclusões obtidas em relação ao objetivo proposto pela pesquisa,

evidenciando a melhor condição que viabiliza a aplicação do resíduo do beneficiamento do

minério de ferro em misturas asfálticas.

Capítulo 6 – Referências Bibliográficas

São apresentadas as referências bibliográficas utilizadas nesta pesquisa.

22

2 REVISÃO DA LITERATURA

Atualmente, a geração de resíduos em grande escala, é um fator preocupante para o setor

industrial em todo o mundo A reutilização desses resíduos industriais tem se tornado um

diferencial para as grandes indústrias que, cada vez mais, se dispõe a desenvolver novas

técnicas de aproveitamento dos mesmos.

Neste sentido, apresenta-se uma abordagem sobre os aspectos característicos do minério

de ferro, seu beneficiamento e a destinação dos resíduos, além de suas principais aplicações

no Brasil e no mundo como matéria-prima para a construção civil, principalmente na

pavimentação.

2.1 A MINERAÇÃO NO BRASIL

No Brasil a mineração iniciou durante a época colonial, quase dois séculos após a

chegada dos portugueses em território sul-americano, mais precisamente no século

XVII. A demora em se descobrir jazidas foi devido ao fato de que os

portugueses tinham interesses mais voltados para outros recursos, como pau-brasil,

tabaco, açúcar e mão-de-obra escrava. A primeira grande descoberta mineral no Brasil foi no

século XVII, a do ouro, dando início ao surgimento das bases para a constituição do setor

mineral e colocando o país como o primeiro produtor mundial de ouro (CORDEIRO, 2014).

Após um século da descoberta do ouro, ocorreu o primeiro ciclo de declínio. Chegou-se a

acreditar que as jazidas superficiais tinham esgotado,

direcionando os esforços para a criação de condições para a instalação das grandes

empresas estrangeiras, que na época eram inglesas (BARRETO, 2001).

Segundo BARRETO (2001 apud CORDEIRO 2014), iniciou-se o segundo ciclo mineral

no século XX, após o fim da Segunda Guerra Mundial, concretizando-se efetivamente no

final da década de 1960. Pôde-se afirmar que grande parte do atual parque

mineral foi construído recentemente, durante as décadas de 1970 e 1980. As

descobertas mais marcantes do século XX foram: o manganês da Serra do Navio

(anos 40); o petróleo, que culminou com a criação da Petrobrás (anos 50); as jazidas

ferríferas do vale do Paraopeba (anos 50); as minas do Quadrilátero Ferrífero de

23

Minas Gerais (meados dos anos 50); o carvão no Rio Grande do Sul e no Paraná

(anos 50), com grande incremento a partir dos anos 60; as minas de cobre do Rio

Grande do Sul (anos 60), Pará e Goiás, nas décadas posteriores; as minas de chumbo

na Bahia (anos 60), e em Minas Gerais (anos 60); o caulim na Amazônia; fosfato e

zinco em Minas Gerais; Carajás no Pará; o amianto na mina Cana Bravo, em Goiás, a

bauxita em Minas Gerais e Pará; assim como a descoberta da província estanífera de

Rondônia, todos na década de 1970.

Desta forma, com a descoberta das jazidas de minerais no século XX, iniciaram-se as

atividades de produção mineral no Brasil. De acordo com a 7ª edição do Sistema de

Informações e Análises da Economia Mineral Brasileira, foram registradas 8.870

mineradoras, conforme demonstrado na FIG 2.1. Este número foi obtido baseado na

consolidação dos Relatórios Anuais de Lavra, entregues pelas empresas de mineração e

relativos ao ano-base de 2011 (IBRAM, 2012).

FIG. 2.1 Companhias mineradoras no Brasil (DNPM, 2014).

Devido às grandes mudanças socioeconômicas e de infraestrutura que o País tem

vivenciado, a indústria Mineral Brasileira obteve na última década um grande

crescimento. Esse comportamento positivo ocorreu principalmente em função da produção de

minério de ferro, que consiste na substância de maior representatividade dentro da gama de

produtos do IPM.

Conforme a 7ª edição do Sistema de Informações e Análises da Economia Mineral

Brasileira (2012), as reservas medidas e indicadas de minério de ferro no Brasil

já alcançavam 29 bilhões de toneladas, situando o país em segundo lugar em relação às

reservas mundiais, de 180 bilhões de toneladas.

24

Contudo, considerando as reservas em termos de ferro contido no minério, o Brasil

assumiu lugar de destaque no cenário internacional. Isso ocorreu devido ao alto teor

encontrado nos minérios hematíticos (média de 60% de ferro), predominantes no Pará, e

itabiríticos (média de 50% de ferro), predominantes em Minas Gerais (IBRAM 2012).

A mineração é um dos pilares da sustentação econômica do Brasil. Em 2014, o país

alcançou mais uma vez o recorde de produção de bens minerais. A tabela 2.1 demonstra o

quantitativo de cada mineral.

TAB. 2.1 Produção de bens minerais.

Categoria Valores em toneladas

Agregados Construção Civil 673.000.000

Minério de Ferro 400.000.000

Bauxita 32.000.000

Alumínio Primário 962.000

Fosfato 6.800.000

Potássio Concentrado 460.000

Zinco Concentrado 250.000

Cobre 219.000

Liga de Nióbio 80.000

Níquel Contido 80.000

Ouro 80

Fonte: IBRAM, 2015.

A evolução do valor da produção mineral brasileira demonstra o quanto o Brasil já

avançou no crescimento e diversificação da exploração de seus recursos minerais. Em 2014

foram US$ 40 bilhões, e está previsto para 2015 US$ 38 bilhões, conforme demonstrado na

FIG 2.2 (IBRAM, 2015).

25

FIG. 2.2 Produção Mineral Brasileira - PMB (IBRAM, 2015).

Para IBRAM (2015) o decréscimo é reflexo de uma redução nos preços internacionais

das commodities minerais e da queda da atividade mineral no País e no mundo. No entanto,

não significou, no Brasil, decréscimo de produção. Como a PMB é uma média aritmética do

preço do bem mineral x sua produção, este valor em dólares sofreu impacto direto pelos

preços internacionais das principais commodities negociadas no Brasil, como minério de

ferro, ouro, cobre, níquel, zinco, bauxita.

2.2 O MINÉRIO DE FERRO

O ferro é o quarto elemento mais abundante da crosta terrestre. Na crosta a sua

porcentagem média é de 5,0 e ocorre como constituinte majoritário ou minoritário em todas as

classes minerais. Devido à sua abundância e alta capacidade de oxidar ou reduzir conforme o

ambiente existe esta diversidade. Mais de 400 minerais apresentam Fe em teores detectáveis,

cujas concentrações variam de menos de 1 % a mais de 70 % (TAKEHARA, 2004).

No início do século XIX, a extração de ferro teve grande impulso,

após a descoberta da utilização do carvão mineral, permitindo a produção do ferro-gusa em

grande escala. A partir da década de 40, no Brasil, o consumo interno de minério de ferro

consistia de fornos de gusa, os quais eram abastecidos pela SAMITRI e

Belgo-Mineira. Nessa década foi criada a Companhia Vale do Rio Doce (CVRD) por

acordo e solidariedade aos países coligados, para exportação do minério aos aliados

da 2ª Grande Guerra Mundial (PEREIRA, 1987 apud TAKEHARA, 2004).

26

Logo, a partir da década de 50, o Brasil desenvolveu o perfil de país exportador de

minério de ferro, após a consolidação da CVRD como grande

empresa de mineração, com remodelamento da estrada de ferro Vitória-Minas (EFVM),

mecanização das minas e o aparelhamento dos cais de embarque do

minério em Vitória/ES (FERREIRA, 2001).

Conforme FERREIRA, em 2001 ocorreu também um aumento no consumo interno do

minério, nas décadas de 50 e 60, devido à construção das grandes usinas siderúrgicas, como

MANESMANN (1954); USIMINAS (1962), COSIPA (1965) e CSN (1960). As

exportações foram intensificadas com a associação da SAMITRI e FERTECO à

CVRD para utilização da estrada de ferro Vitória-Minas.

Com isso, a partir da década de 70, o Brasil consolidou-se no contexto mundial como

grande produtor e exportador de minério de ferro. O perfil exportador de minério de ferro

brasileiro deve-se à alta qualidade do minério e também pelo sistema de escoamento da

produção, por ser um produto essencial para a indústria moderna. (TAKEHARA, 2004).

De acordo com DNPM (2014) a produção mundial de minério de

ferro em 2013 foi estimada em 3,0 bilhões de toneladas. A FIG 2.3 apresenta a evolução

desta, tendo o Brasil como terceiro maior produtor mundial (13,1%).

FIG. 2.3 Produção do minério de Ferro (DNPM, 2014).

A principal exploradora de minério de ferro no país é a empresa VALE S/A, que possui

minas para extração de minério de ferro nos três principais estados de ocorrência deste

mineral, Minas Gerais, Mato Grosso do Sul e Pará. Além disso, foi responsável por 81% da

produção do país, incluindo as empresas em que a VALE S/A possui participação,

Minerações Brasileiras Reunidas S/A-MBR e Samarco Mineração S/A, ambas em Minas

27

Gerais. O restante da produção está distribuído entre 34 empresas com destaque para

Companhia Siderúrgica Nacional-CSN, USIMINAS, Nacional de Minérios S/A-NAMISA e

Companhia de Mineração Serra da Farofa no estado de Minas Gerais e Anglo Ferrous Amapá

Mineração no estado do Amapá. (FRIBER, 2014)

No entanto, Minas Gerais é o estado minerador mais importante do país, com uma

extração de mais de 160 milhões de toneladas por ano de minério de ferro, sendo ainda

responsável por aproximadamente 53% da produção brasileira de minerais metálicos e 29%

de minérios em geral. Dos dez maiores municípios mineradores do país, sete estão em Minas,

sendo Itabira o maior do país. (IBRAM, 2014). A FIG 2.4, apresenta a distribuição de alguns

bens minerais no estado.

FIG. 2.4 Distribuição da produção de alguns bens minerais em Minas Gerais (IBRAM,

2014).

2.3 BENEFICIAMENTO DO MINÉRIO DE FERRO

Segundo MACHADO (2007), o beneficiamento pode ser considerado o processo

segundo o qual o minério passa por uma preparação para o subsequente estágio no

processamento. A concentração é uma das etapas mais importantes neste processo. A

obtenção do concentrado e do resíduo é resultante de operações

28

que envolvem cominuição (britagem e moagem), classificação (peneiramento e

separação por tamanhos), concentração (gravítica, magnética, flotação, etc.) e

desaguamento (sedimentação, filtragem, centrifugação e secagem). A FIG. 2.5 representa um

fluxograma ilustrativo do beneficiamento de minério de ferro.

FIG. 2.5 Fluxograma típico do beneficiamento de minério de Ferro (CORDEIRO,

2014).

Na fase de lavra, o acesso ao corpo do minério bruto implica em trabalhos de

decapeamento e remoção de materiais sem valor comercial, que são chamados genericamente

de estéreis, comumente estocados sob a forma de pilhas. O minério é, então, submetido a

processos de tratamento ou beneficiamento, caracterizados pelas operações físicas e/ou

químicas destinadas a modificar os bens minerais em termos de forma e/ou composição,

visando adequá-la às aplicações industriais pertinentes. Os resíduos correspondentes ao

processo descrito são denominados resíduos (COELHO, 2008).

Água de

processo

29

Após a etapa de filtragem do concentrado ou pelotização o material estocado está pronto

para comercialização. Em todo esse processo, geralmente, há uma área reservada para os

depósitos de materiais grossos, já os materiais mais finos são destinados em áreas designadas

para disposição dos mesmos.

2.3.1 GERAÇÃO DE RESÍDUOS NA MINERAÇÃO

Os resíduos sólidos gerados das atividades de mineração podem ser de dois tipos

principais: os estéreis e os resíduos. Os estéreis são os materiais escavados, gerados no

decapeamento da mina, geralmente não possuem valor econômico e ficam dispostos em

pilhas. Os resíduos são resultantes do processo de beneficiamento das substâncias minerais.

(CAVALCANTE et. al, 2011).

A geração de grandes volumes e massas desses resíduos é um fator preocupante.

MACHADO (2007), afirma que para um modelo ideal do processo de beneficiamento, o

produto gerado deveria ser totalmente aproveitado, ou seja, em que todos os minerais contidos

no minério lavrado seriam aproveitados economicamente. Entretanto isto não ocorre,

acarretando em grandes depósitos de resíduo, que são destinados frequentemente a céu aberto,

de forma subterrânea ou subaquática e em áreas confinadas (barragens ou bacias) dotadas de

estrutura de contenção.

De acordo com BOSCOV (2008), para cada tonelada de minério de ferro é produzida em

média 0,5 toneladas de resíduos, sendo a razão gravimétrica entre o produto final e os

resíduos produzidos de 2:1.

Para WOLFF (2009), no beneficiamento a baixa recuperação, além de significar perdas

financeiras, leva ao aumento de volume de resíduos dispostos no meio ambiente, aumentando

o impacto ambiental. Sendo assim, pode-se considerar que o beneficiamento de minérios, uma

vez efetuado de forma eficiente, minimiza o volume de resíduos e os impactos ambientais.

De acordo o Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (IPEA, 2012), a quantificação do

volume de resíduos sólidos gerados pela atividade de mineração é difícil, devido à

complexidade e a diversidade das operações e das tecnologias utilizadas nos processos de

extração e beneficiamento das substâncias minerais. Não existe, por exemplo, um controle

sistemático e em escala nacional sobre a quantidade de estéreis gerados pela atividade de

mineração.

30

Assim, foi elaborado o “Caderno de diagnóstico” sobre resíduos sólidos da atividade de

mineração para 14 das 80 substâncias minerais produzidas no país. O mesmo apresenta um

levantamento da geração de resíduo (a partir do beneficiamento) da mineração no Decênio

1996- 2005, e uma estimativa até 2030. A quantidade total de resíduos de mineração gerados

neste Decênio foi de aproximadamente 290 milhões de tonelada, sendo o minério de ferro a

substância com o maior percentual de contribuição na geração de resíduos da atividade de

mineração (IPEA, 2012), conforme exposto na FIG. 2.6.

FIG. 2.6 Contribuição percentual média de cada substância na geração de resíduos da

atividade de mineração no Decênio 1996-2005 (IPEA, 2012).

Com isso, o estado de Minas Gerais passou a realizar,

inventários anuais da geração de resíduos sólidos na atividade de mineração. A TAB. 2.2

apresenta os principais resultados dos dois inventários existentes, referentes aos anos de 2008

e 2009 (FEAM, 2010).

TAB. 2.2 Principais resultados dos inventários de resíduos sólidos de mineração de

Minas Gerais (2008-2009).

Categoria 2008 2009

Total % Quantidade % Quantidade %

Estéril 375.377.784 78,59 286.546.806 69,66 661.924.669 74,46

Resíduo 101.452.987 21,24 123.058.761 29,92 224.511.769 25,25

Resíduo 805.230 0,17 1.744.437 0,42 2.549.667 0,29

Total 477.636.001 100,0 411.350.005 100,0 888.986.106 100,0

Fonte: (FEAM, 2010).

31

Com relação ao cenário futuro da geração de resíduos, estima-se que no período de 2010-

2030, será de aproximadamente 11,410 bilhões de toneladas, ressaltando o minério de ferro

como substância de maior percentual de contribuição, conforme FIG. 2.7 (IPEA, 2012).

FIG. 2.7 Contribuição percentual média de cada substância na geração de resíduos da

atividade de mineração no período 2010-2030 (IPEA, 2012).

2.3.2 CARACTERIZAÇÃO DOS RESÍDUOS DE MINÉRIO DE FERRO

Os resíduos apresentam características mineralógicas, físico-químicas e geotécnicas

bastante variáveis, em função da natureza do minério bruto e das etapas do processo de

beneficiamento industrial (COELHO, 2008).

No entanto, a maioria dos resíduos é considerada granular, com boas condições de

drenagem e resistência e baixo potencial poluidor, cujo comportamento geotécnico é

determinado por essas características e pela forma de deposição.

Em uma avaliação critica dos resíduos normalmente oriundos de processos de mineração

de ferro na região do Quadrilátero Ferrífero do estado de Minas Gerais, revela que geralmente

cerca de 60% a 70% destes resíduos apresentam uma granulometria tendendo às areias finas e

médias siltosas CAMPANHA (2011).

Porém, PRESOTTI (2002), relata que apesar dos resíduos granulares apresentarem

comportamento e características de areias, não devem ser considerados como tal, pois a forma

e o tipo de processamento do minério influenciam as características mineralógicas, físico-

químicas e geotécnicas, atribuindo características específicas para cada resíduo.

32

2.3.3 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS E MINERALÓGICAS

Para se ter um entendimento mais eficaz do comportamento do resíduo arenoso se faz

necessário o conhecimento de determinadas características químicas e mineralógicas. Em

alguns estudos já realizados com esse mesmo material foi possível obter estas características

através dos ensaios de MEV (Miscroscópio Eletrônico por Varredura), EDS (Eletron

Diffraction Spectroscopy) e difração Raio-X que determina a presença do mineral e dos

argilos-minerais presentes na amostra.

Na pesquisa de GALHARDO (2015), pelos ensaios de MEV e EDS, foram constatados a

presença dos elementos sílica e ferro, sendo o ferro com a maior concentração, e no ensaio de

difração de Raio-X pode-se observar que o quartzo é o mineral principal, sendo a hematita e

goetita os minerais subordinados, a presença do elemento ferro na amostra como hematita

(Fe2O3), goetita (FeO(OH)) e o quartzo (SiO2) designam o caráter não expansivo do resíduo

arenoso. A FIG 2.8 apresenta a composição química do resíduo.

FIG. 2.8 Ensaio de MEV e EDS do resíduo arenoso (GALHARDO, 2015).

33

2.3.4 CARACTERÍSTICAS AMBIENTAIS

Assim como toda exploração de recurso natural, a atividade de mineração provoca

impactos no meio ambiente seja no que diz respeito à exploração dos recursos naturais e

minerais, biodiversidade e florestas, mudanças climáticas, gestão de resíduos e de segurança

de barragens de resíduos e emissões atmosféricas, além das típicas questões de saúde e

segurança ocupacional.

Em atendimento a políticas corporativas, ou por determinação legal, as empresas de

mineração que possuem estrutura de gestão ambiental implantada, têm aplicado tecnologias

de disposição de resíduos e no tratamento de efluentes, bem como prevenção e tratamento de

drenagem ácida de minas, para recuperação de áreas degradadas e recomposição vegetal, e

conduzido estimativas relacionadas a passivo ambiental para contingenciamento de plano de

fechamento de minas, requisito legal no caso do estado de Minas Gerais (SANCHEZ, 2006).

Na mineração o risco ambiental de maior relevância está associado à probabilidade de

acidentes nas barragens de resíduos e suas consequências para os recursos hídricos e à

segurança da população lindeira. (IBRAM, 2014).

Com o intuito de reduzir a ocorrência deste risco, a reutilização dos resíduos se tornou

uma alternativa muito interessante no quesito ambiental e econômico. Porém para o emprego

deste material em obras civis deve-se antes consultar a norma que define e classifica os

resíduos sólidos – ABNT NBR 10004 (2004), para se obter uma segurança e não gerar outros

problemas.

Esta norma define resíduos sólidos como os resíduos nos estados sólido e semi-sólido

resultantes de atividades da comunidade de origem industrial, doméstica, de serviços de

saúde, comercial, agrícola e de varrição, além de lodos provenientes de sistemas de

tratamento de água, lodos gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição e

determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável seu lançamento na rede pública

de esgotos ou corpo d’água, ou exijam para isso soluções técnicas e economicamente

inviáveis em face da melhor tecnologia disponível (SILVEIRA, 2015).

A ABNT NBR 10004 (2004) classifica os resíduos desta forma:

a) Resíduos Classe I – (Perigosos): São os que apresentam periculosidade ou uma

das seguintes características: Inflamabilidade, Corrosividade, Reatividade,

Toxicidade e/ou Patogenicidade.

b) Resíduos Classe II – (Não Perigosos): São divididos em duas subcategorias:

34

– Resíduos Classe II A – (Não Inertes): São aqueles que não se enquadram na

classificação de Resíduos Classe I - Perigosos ou de Resíduos Classe II B -

Inertes. Estes resíduos têm características, tais como: biodegradabilidade,

combustibilidade ou solubilidade em água.

– Resíduos Classe II B – (Inertes): Quaisquer resíduos quando colocados em

contato dinâmico e estático com água destilada ou deionizada, à temperatura

ambiente, conforme NBR 10.006, não tiveram seus constituintes solubilizados a

concentrações superiores aos padrões de potabilidade de água, excetuando-se

aspecto, cor, turbidez, dureza e sabor.

No estudo de GALHARDO (2015), foram realizados os ensaios de lixiviação e

solubilização pelo laboratório da ABCP para a amostra do resíduo arenoso. Constatou-se, pelo

referente estudo que, para os ensaios de lixiviação de metais (inorgânicos) quanto para os de

solubilização (inorgânicos), os resultados apresentaram valores abaixo dos limites máximos

prescritos pela NBR 10004/04. Nos ensaios de lixiviação e solubilização de orgânicos, os

resultados se apresentaram abaixo dos limites de detecção da técnica adotada e abaixo dos

limites máximos prescritos pela NRB 10004/04. A TAB 2.3 demonstra os resultados

encontrados.

Então, conclui-se que a amostra do resíduo arenoso, proveniente do beneficiamento do

minério de ferro, pode ser classificada como Classe II B - Não perigoso e Inerte de acordo a

NRB 10004/04.

2.3.5 O EMPREGO EM PAVIMENTAÇÃO

Com o alto volume de resíduos, que são gerados pela produção de minério de ferro,

muitas mineradoras estão pesquisando maneiras mais sustentáveis para sua disposição, como

por exemplo, a utilização dos mesmos na construção civil e em estradas, resultando assim

tanto na diminuição da disposição destes resíduos na natureza, como na redução da

exploração de minerais naturais.

FERNANDES (2005) estudou o comportamento mecânico das misturas contendo

resíduos de minério de ferro associados à geossintéticos na construção de um trecho

experimental de ferrovia. O mesmo foi instrumentado com sensores elétricos tipo KM-120

para medições e análises das deformações verticais e horizontais sofridas pelas camadas

35

estruturais do pavimento, comprovando, desta forma, a qualidade técnica dessas misturas

compatível com a de materiais normalmente utilizados em pavimentos ferroviários. Os

resultados obtidos demonstraram que os resíduos de minério de ferro tenderam a apresentar

boa capacidade de suporte, valores elevados de densidade e de ISC (Índice de Suporte

Califórnia), baixa expansão e elevados módulos de resiliência, propriedades estas fortemente

afetadas pela presença do ferro. Entretanto, o autor recomenda que sejam executados

dispositivos de drenagem adequados para evitar a grande variação do teor de umidade do

material de subleito e sublastro ao longo do tempo.

Na mesma linha de pesquisa, SARAIVA (2006), utilizou resíduos de mineração de ferro

como materiais alternativos na construção de um trecho experimental rodoviário na cidade de

Itabira, Minas Gerais, e analisou o comportamento geotécnico dos resíduos de minério de

ferro misturados a solos argilosos, como materiais da camada de base, combinando-se com

geossintéticos. O trecho foi monitorado através de extensômetros elétricos-resistivos e

sensores de temperatura e umidade para que os dados coletados, correspondentes as

solicitações dinâmicas experimentadas pelo pavimento, fossem comparados diretamente com

as deformações medidas no local. Os resultados demonstraram que a utilização deste resíduo

na composição de misturas para pavimentos rodoviários e ferroviários é tecnicamente viável.

Posteriormente, FERREIRA (2007), estudou o comportamento geotécnico e mecânico de

cinco tipos de estéreis de minério de ferro (canga laterita, canga contaminada com minério de

ferro, areia laterítica, itabirito pobre amarelo e itabirito cinza) aplicados com materiais de

infra e superestrutura em um pavimento rodoviário experimental para tráfego de caminhões

fora-de-estrada. Foram realizados ensaios laboratoriais para caracterização geotécnica dos

materiais, tais como, cisalhamento direto, triaxial de carga repetida e Índice de Suporte

Califórnia (ISC). O controle tecnológico de campo envolveu medições de deflexões e rigidez

das camadas estruturais. O trecho experimental foi monitorado, continuamente por um

período de dois meses, através da instrumentação do pavimento por meio de sensores de

deformação, pressão, umidade de temperatura. Os resultados demonstraram que o pavimento

executado com estéreis apresentou desempenho mecânico satisfatório quanto à capacidade de

suporte e de durabilidade ante a ação dos caminhões fora-de-estrada e das intempéries. Tal

afirmação é sustentada pelo bom estado de conservação da pista após dois meses de

monitoramento, tempo superior aos serviços de manutenção das vias empregados na mina.

Pesquisas em outros países, como por exemplo, na Espanha, destacou o emprego de

matérias primas como lodo de esgoto, lodo industrial, cinzas volantes, resíduos de mineração,

36

resíduos industriais, com frequência para fabricação de agregados artificiais leves.

(GONZÁLEZ-CORROCHANO et al, 2009).

Abordando a linha de pesquisa com misturas asfálticas, SILVA (2010), analisou o

comportamento mecânico de misturas betuminosas convencionais e modificadas e verificou a

viabilidade técnica do uso de resíduo de minério de ferro e escória de aciaria em pavimentos

rodoviários. Foram analisados laboratorialmente aspectos físicos e de comportamento

mecânico de agregados convencionais e alternativos para uso em revestimento asfáltico. As

misturas do tipo concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ) foram dosadas segundo a

metodologia Marshall sendo adotada a mesma granulometria, Faixa C do DNIT, com a

utilização de brita graduada e escória de aciaria, em diferentes proporções, como agregados

graúdos e miúdos e o resíduo de minério de ferro como material de enchimento alternativo

(fíler). A caracterização mecânica foi realizada por meio dos ensaios de resistência à tração

estática por compressão diametral (RT), módulo de resiliência (MR), fadiga por compressão

diametral a tensão controlada e deformação permanente por compressão axial (creep estático).

Todas as misturas alternativas analisadas apresentaram desempenho mecânico satisfatório,

comprovando assim a qualidade destes resíduos para uso em camadas de rolamento.

Contudo, a utilização abrangente de resíduos / resíduos é importante na economia de

recursos, melhorando o ambiente para o desenvolvimento sustentável. Em 2012,

MANGALPADY, estudou a viabilidade do uso de resíduo de minério de ferro para fabricação

de blocos para pavimentação na Índia. Foram feitas tentativas em cinco amostras de três

misturas para investigar a adequação e confiabilidade de resíduos de minério de ferro, que foi

usado em substituição dos agregados finos. Foram realizados ensaios de absorção e

resistência à compressão das amostras, onde se constatou que o resíduo de minério de ferro

tem potencialidade para ser utilizado como agregado em concreto para blocos para

pavimentação, pois uma das amostras apresentou 3,11% de absorção e 36 MPa de resistência

à compressão de 28 dias.

Em 2015, a pesquisa realizada por FRIBER, verificou a viabilidade do agregado

calcinado contendo resíduo de mineração para utilização em camadas de pavimento como

base, sub-base e capa de rolamento. Na pesquisa citada, foram realizados ensaios de

caracterização física do resíduo de mineração, proveniente da mineradora Samarco Mineração

S.A, localizada em Mariana/MG, e da argila, proveniente da cerâmica Marajó, localizada em

Tanguá/RJ. Os resultados de caracterização física da argila indicaram granulometria e

plasticidade típicas para a fabricação de agregados de argila calcinada, por causa do valor

37

mínimo de 10% para o Índice de Plasticidade. A partir da mistura destes materiais foi possível

à confecção dos agregados calcinados, realizada em extrusora elétrica e, a calcinação

executada em forno tipo mufla em temperaturas que variaram de 800ºC à 1100ºC. Os ensaios

de perda de massa por fervura e massa unitária apresentaram valores dentro dos limites

estabelecidos por norma específica para agregados calcinados, sendo menores que 10% e

maiores que 0,88, respectivamente. Já no ensaio de abrasão Los Angeles, o melhor resultado

ocorreu na amostra M1100 (mistura com 15% de resíduo, em peso, calcinado a temperatura

de 1100ºC), que apresentou um desgaste de 41,63%, abaixo do máximo estabelecido em

norma. Portanto a mistura M1100 apresentou o melhor resultado para viabilidade do agregado

calcinado com resíduo de mineração. Como os agregados de argila pura não obtiveram

resultados satisfatórios para o desgaste por abrasão Los Angeles, o resíduo de mineração

tornou viável uma jazida de argila não apta para a fabricação de argila calcinada.

No entanto, GALHARDO (2015) avaliou a possibilidade de reaproveitar o resíduo de

minério de ferro na construção de camadas estruturais de pavimentos com baixo volume de

tráfego, em associação com dois solos: residual de filito e argiloso laterítico. As misturas

analisadas com o solo residual de filito foram preparadas com adições de 20, 40 e 50% do

resíduo, em massa, enquanto o solo argiloso laterítico com adições de 20 e 40% do material.

O programa experimental envolveu estudos de caracterização física, química e mineralógica

do resíduo e dos solos naturais. Adicionalmente, foram realizados ensaios de qualidade

ambiental do resíduo, o qual foi classificado como Classe II B (inerte e não perigoso), assim

como investigações geotécnicas por meio da metodologia MCT tradicional e expedita com os

solos puros e misturas, respectivamente. A etapa de avaliação do comportamento mecânico

envolveu os ensaios de compactação, índice de suporte Califórnia e módulo de resiliência.

Com base nos resultados obtidos com os ensaios supracitados, pôde-se concluir, em linhas

gerais, que a utilização do resíduo arenoso em camadas inferiores de pavimentos asfálticos é

viável, pois as misturas contendo este resíduo apresentaram propriedades mecânicas de

interesse à pavimentação, proporcionando a minimização dos problemas ambientais das

atividades de mineração.

Em suma, percebe-se que apesar de existir uma carência em relação a pesquisas e

trabalhos publicados abordando o uso do resíduo de minério de ferro em comparação aos

resíduos industriais, os estudos que foram citados são satisfatórios e relevantes para a

utilização dos resíduos em pavimentação, contribuindo assim para a redução de custos nas

obras e na exploração de jazidas. Além de colaborar positivamente, sendo uma alternativa

38

ambientalmente correta para reaproveitamento e destinação dos resíduos que são considerados

inservíveis.

2.4 PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS

O objetivo principal deste trabalho é verificar a empregabilidade do resíduo do

beneficiamento do minério de ferro em pavimentos asfálticos, mais especificamente em

misturas asfálticas do tipo areia-asfalto usinada a quente (AAUQ). Para tal, é indispensável

inteirar sobre a estrutura dos pavimentos, suas camadas constituintes e os materiais

normalmente utilizados para sua composição.

MEDINA e MOTTA (2005) definem pavimento de forma geral, como sendo uma faixa

de terreno de cerca de 10 metros de largura, 50 cm de espessura, por vários quilômetros de

extensão, com investimento relativamente pequeno por metro quadrado e uma vida útil entre

10 a 20 anos.

Por sua vez, pavimento, de acordo com a norma NBR 7.207/82 é definido como uma

estrutura de múltiplas camadas, construída após a terraplanagem, e que visa atender os

seguintes requisitos:

Estrutural: resistir e distribuir ao subleito os esforços verticais produzidos pelo tráfego;

Funcional: resistir aos esforços horizontais que nela atuam, tornando mais durável a

superfície de rolamento;

Segurança: melhorar as condições de rolamento quanto ao conforto e segurança.

O pavimento pode ser classificado em dois grupos: pavimento rígido e pavimento

flexível. Pavimento rígido é aquele em que o revestimento é uma placa de concreto de

cimento Portland sobre o solo de fundação ou sub-base. Pavimento flexível, aquele em que o

revestimento é composto por uma mistura de agregados e ligantes asfálticos sobre uma base

granular ou de solo que sofreu o processo de estabilização granulométrica. A FIG 2.9

representa a estrutura de um pavimento.

REVESTIMENTO

BASE

39

FIG. 2.9 Estrutura de um Pavimento.

Tal estrutura é dividida, geralmente, em quatro camadas: revestimento, base, sub-base e

subleito. Sendo a primeira camada impermeável, destinada a melhorar as condições de

rolamento, à comodidade e segurança, e a resistir aos esforços horizontais. Logo abaixo,

encontra-se a base, uma camada destinada a resistir e distribuir os esforços verticais devido ao

tráfego. Em seguida, é a camada corretiva do subleito ou complementar à base. Por fim, a

última camada representa o terreno de fundação do pavimento ou do revestimento.

O pavimento é sensível às propriedades dos materiais utilizados como base e sub-base,

sendo a qualidade do projeto de superestrutura uma função direta da maneira como os

materiais são avaliados. Uma caracterização precisa dos materiais utilizados leva a uma

estrutura capaz de suportar as cargas de projeto. Especialmente se durante essa fase,

simulações mecânicas dos esforços, ao qual a estrutura será submetida, forem realizadas

(SOUSA et al., 2009).

Contudo, para a utilização de novos materiais em pavimentação faz-se necessário,

primeiramente, a correta caracterização dos mesmos, com o intuito de solucionar possíveis

problemas futuros que possam surgir a partir da utilização dos mesmos. Percebe-se ainda que,

pesquisas relacionadas ao emprego de agregados alternativos em obras civis contribuem de

forma favorável para o atual cenário brasileiro e mundial. Apresentar uma solução prática

para a destinação adequada destes materiais, antes não explorados, se tornou o foco da

sociedade moderna, que a cada dia se preocupa mais com a preservação do meio ambiente.

2.5 REVESTIMENTO ASFÁLTICO

40

O revestimento deverá, entre outras funções, receber as cargas, estáticas ou dinâmicas,

sem sofrer grandes deformações elásticas ou plásticas, desagregação de componentes ou,

ainda, perda de compactação. Necessita, portanto, ser composto de materiais bem aglutinados

ou dispostos de maneira a evitar sua movimentação horizontal. Tais materiais, como placas de

concreto, tratamentos superficiais betuminosos e misturas asfálticas em geral, permitem

manter estas condições. (BALBO, 2007).

Conforme o mesmo autor, os revestimentos asfálticos são muitas vezes subdivididos em

duas ou mais camadas por razões técnicas, construtivas e de custo. Assim é comum encontrar

expressões como “camada de rolamento” e “camada de ligação” (binder) para descrever um

revestimento dividido em duas camadas de diferentes materiais. A TAB 2.3 apresenta as

distinções entre possíveis camadas de revestimento asfáltico, de acordo com a terminologia

empregada no meio rodoviário.

TAB. 2.3 Termos aplicáveis aos revestimentos asfálticos.

Designação do

Revestimento Definição Associações

Camada de

Rolamento

É a camada superficial do pavimento, diretamente

em contato com as cargas e com ações ambientais.

Camada de desgaste,

capa de rolamento,

revestimento.

Camada de

Ligação

É a camada intermediária, também em mistura

asfáltica, entre a camada de rolamento e a base do

pavimento.

Camada de binder ou

simplesmente binder.

Camada de

Nivelamento

Em geral, é a primeira camada de mistura asfáltica

empregada na execução de reforços

(recapeamento), cuja função é corrigir os desníveis

em pista, afundamentos localizados, enfim, nivelar

o perfil do greide para posterior execução da nova

camada de rolamento.

Camada de

reperfilagem ou

simplesmente

reperfilagem.

Camada de

reforço

Nova camada de rolamento, após anos de uso do

pavimento existente, executada por razões

funcionais, estruturais ou ambas.

“Recape” e

recapeamento são

termos populares.

Fonte: (BALBO, 2007).

2.6 CIMENTOS ASFÁLTICOS DE PETRÓLEO (CAP)

41

Segundo (SOUZA et. al., 1995) o Cimento Asfáltico de Petróleo-CAP é obtido para

apresentar as qualidades e consistências adequadas para o uso direto em obras de

pavimentação. O mesmo é oriundo do processo de refino do petróleo cru, através da

destilação das frações mais leves, e do processamento das frações pesadas. São semissólidos à

temperatura ambiente, e necessitam de altas temperaturas para terem consistência apropriada

ao envolvimento de agregados.

De acordo com CASTRO (2003), o CAP é um material complexo e que apresenta um

comportamento viscoso, caracterizado pela redução da rigidez para longos períodos de

aplicação de carga, e susceptibilidade térmica, caracterizada pela alteração de propriedades

em função da temperatura.

Comercialmente, os cimentos asfálticos de petróleo são classificados em várias faixas de

consistência padronizadas com base na penetração ou na viscosidade. A Agência Nacional do

Petróleo-ANP estabeleceu, em 2005, as novas especificações sendo baseadas exclusivamente

pela penetração, sendo os convencionais CAP 30/45; CAP 50/70; CAP 85/100; e CAP

150/200. Os valores numéricos contidos nessa nomenclatura se referem aos limites inferiores

e superiores de penetração. (DE CESARO JUNIOR, 2008).

2.6.1 CIMENTOS ASFÁLTICOS MODIFICADOS POR POLÍMERO

Embora os ligantes convencionais apresentem desempenho satisfatório na maioria das

condições de tráfego e clima no Brasil, o aumento da capacidade de carga, do número de

veículos em circulação e as extremas condições climáticas encontradas em algumas regiões

do país, impõe à engenharia de pavimentos a busca por materiais que atendam de forma mais

eficaz as necessidades de nossas rodovias.

Neste contexto, insere a utilização de asfaltos modificados com polímeros, que dão à

mistura alta flexibilidade, coesão e durabilidade incrementando a resistência dos agregados ao

arranque, sob a ação dos esforços tangenciais gerados pelas cargas oriundas do tráfego ao

longo da sua vida útil, visando melhorar o desempenho dos pavimentos flexíveis. (ODA E

FERNANDES JÚNIOR, 2001).

Os produtos que podem ser adicionados como modificadores são os asfaltos naturais

(gilsonilta ou asfaltita), fíleres (cal, cimento, sílica), fibras (vidro, asbestos, fibras de celulose

e fibras poliméricas) ou por enxofre elementar. Entretanto, a modificação mais empregada

atualmente é através do uso de polímeros. (GUSMÃO, 2009).

42

Segundo, DE CESARO JUNIOR (2008), o aumento da vida de serviço do pavimento

devido a prevenção de defeitos prematuros, é a razão para se fazer a combinação entre o

asfalto e os determinados polímeros. A redução da suscetibilidade térmica se mostra como um

benefício muito importante, aumentando assim a resistência à deformação permanente em

altas temperaturas e evitando o trincamento térmico em baixas temperaturas. Todavia esta

modificação também confere maior elasticidade ao asfalto contribuindo para o aumento da

resistência à fadiga. Os polímeros podem melhorar a adesão agregado-asfalto, diminuir a

abrasão e aumentar a resistência ao envelhecimento.

O Departamento Nacional de Estradas e Rodagem – DNER, em 1998, classifica os

polímeros, direcionados ao meio rodoviário, em quatros grupos:

a) Termorrígidos, que são aqueles que depois de formados não se fundem pela ação do

calor, ou seja, quando aquecidos a uma determinada temperatura não amolecem,

impossibilitando que sejam remoldados.

b) Termoplásticos, aqueles que quando aquecidos modificam o seu comportamento,

adquirindo características plásticas, permitindo que sejam remoldados.

c) Elastômeros, aqueles que possuem um comportamento puramente elástico, quando

aquecidos se decompõem antes de amolecer.

d) Elastômeros-termoplásticos são aqueles que quando aquecidos apresentam um

comportamento termoplástico, e quando em temperaturas médias apresentam

comportamento elástico. O seu comportamento quanto à temperatura é semelhante ao

dos termoplásticos, já as mudanças são reversíveis.

O copolímero de etileno e acetato de vinila, EVA, possui uma composição que pode

variar, de 3% até 50% de acetato de vinila, tal variação acarreta mudanças no comportamento,

passando de plastômeros até semelhantes a elastômero. Este é o que apresenta melhor

comportamento quando misturado ao asfalto, pois apresenta uma grande resistência inicial,

devido a sua estrutura tridimensional rígida, aumentando assim a resistência às deformações

dos ligantes modificados (DE CESARO JUNIOR, 2008).

2.7 MISTURAS ASFÁLTICAS

43

Segundo MONTANARI (2007) as misturas asfálticas resultam de uma combinação de

um agregado mineral e o ligante betuminoso em proporções adequadas e definidas em

laboratório. Os agregados constituem com mais de 90% em peso da mistura e o restante é

composto pelo ligante betuminoso. Estas misturas podem ser realizadas a quente ou a frio,

sendo empregadas no revestimento de pavimentos flexíveis e semi-rígidos. Como recebem

diretamente a ação do tráfego e do clima, devem, portanto, ser resistentes para que a via

cumpra bem o seu papel.

A mistura asfáltica a quente consiste na combinação de material asfáltico, agregados e

materiais afins. Eventualmente com adição de aditivos ou produtos especiais, misturados de

maneira uniforme, de modo a formar uma massa homogênea, o componente asfáltico age

como um aglutinado que mantém os agregados unidos em uma massa coesa, além de dar

características impermeáveis à mistura, enquanto que o agregado, independentemente de seu

processo de produção, dá sustentação para resistir à aplicação de cargas repetidas

(NOGUEIRA, 2008).

Já a mistura asfáltica a frio, em que se empregam a emulsões asfáltica como ligante para

envolver os agregados, também é proporcionada de forma conveniente para atender certos

requisitos da estrutura mineral. As características volumétricas e de resistência mecânica

especificadas, são nesse caso realizadas sem aquecimento dos agregados. O ligante

eventualmente pode sofrer um pequeno aquecimento, mas em geral é também usado na

temperatura ambiente. (BERNUCCI et al, 2008).

2.7.1 AREIA ASFALTO USINADA A QUENTE

Citando o grupo das misturas asfálticas a quente, o emprego do tipo areia-asfalto usinada

a quente, se tornou uma prática em pavimentos asfálticos. Tal tipo se define como um

revestimento flexível resultante da mistura a quente de agregado miúdo, material de

enchimento (fíler) quando necessário e ligante asfáltico. A principal diferença em relação à

mistura do tipo concreto asfáltico convencional, é no consumo de ligante, que tende a ser

mais elevado devido à predominância de agregados de pequenas dimensões. Outras diferenças

se dão pelo custo, resistência e durabilidade. (BERNUCCI et al, 2008).

Ainda em relação às misturas convencionais, o desempenho da AAUQ é considerado

inferior, pois apresentam baixo valor de resistência à tração, acentuado desgaste devido á

passagem de pneus e à ação de intempéries, falta de aderência pneu/pavimento em pista

44

molhada e baixa resistência à deformação permanente. Para melhorar o desempenho, várias

tentativas foram realizadas, como o uso da técnica de asfalto-espuma, adição de enxofre ao

ligante asfáltico, o uso de ligantes modificados por asfaltita e outros (ALDIGUERI &

BERNUCCI, 2002).

Contudo, a utilização da AAUQ viabiliza economicamente a pavimentação em regiões

com escassez de materiais graúdos pétreos de boa qualidade, porém são descritas como

misturas menos duráveis, pois a falta de agregados graúdos e o alto volume de vazios

resultam em um revestimento menos resistente às exigências do tráfego e clima. No entanto,

apresenta comportamento satisfatório quando aplicada em pavimentos de baixo volume de

tráfego, inferior a 100 veículos por faixa por dia. (KLINSKY, 2013).

EXPERIÊNCIAS NACIONAIS

No Brasil, o emprego de misturas areia asfalto vem acontecendo desde a década de 1960,

no estado do Rio Grande do Sul (planície costeira) e em diversas áreas das regiões Norte e

Nordeste do país, esse material é utilizado não só como revestimento, mas também como

camada de regularização (ALDIGUERI, 2001).

Em 1997, BOTTIN FILHO estudou misturas de areia-asfalto a quente utilizando areias

de origem eólica da planície costeira do Rio Grande do Sul, uma região rica em areias finas e

pobre em rochas duras. Foram realizados ensaios de módulo de resiliência, deformação

permanente e desgaste, chegando-se a conclusão de que o uso de areia-asfalto a quente em

pavimentos com baixo volume de tráfego nesta região é viável.

Além disso, o mesmo autor observou que o revestimento deve possuir teores de ligante

mais elevado por apresentar desgaste relativo ao rolamento, e proporcionar menor

permeabilidade, pois estão sujeitos às mudanças climáticas e todo o tipo de esforço. Tais

esforços transmitidos à base são menores que os recebidos pelo revestimento. A base

apresenta maiores espessuras proporcionando uma melhor distribuição de carga e teores mais

baixos de ligante são suficientes.

Nos últimos anos, pesquisas estão sendo desenvolvidas visando o aproveitamento de

resíduos sólidos industriais, em substituição ao agregado miúdo que contêm nas misturas do

tipo areia-asfalto. BARDINI et. al (2008) testou a hipótese de utilizar o resíduo de cinzas, da

queima das cascas de pinus, como fíler em misturas asfálticas. Foram realizados os ensaios

mecânicos das misturas com o resíduo de cinzas e misturas contendo fíler mineral de basalto,

45

para comparações posteriores. As dosagens Marshall, para as misturas possuindo resíduo,

resultaram em um teor ótimo de ligante praticamente constante, independentemente do teor

utilizado. Quanto às propriedades mecânicas, os maiores valores de resistência à tração foram

obtidos com as misturas contendo 3,5% de fíler mineral, enquanto as misturas contendo

resíduo de cinzas apresentaram os menores valores. Os resultados encontrados neste trabalho

não inviabilizaram o uso do resíduo de cinzas como agregado fino de misturas asfálticas

densas, mas indicaram a necessidade de estudos adicionais antes de sua utilização em escala

industrial.

Logo depois, ONOFRE et. al (2008) estudou a incorporação do solo contaminado por

petróleo (SCP) à mistura de areia-asfalto a quente. Como objetivo principal, o

desenvolvimento de uma mistura que pode receber o resíduo SCP sem o comprometimento de

propriedades físicas mínimas necessárias para sua aplicação em pavimentos. A metodologia

de dosagem utilizada foi a do Superpave. Foi feita a caracterização de misturas contendo

diferentes teores de SCP. A análise dos resultados foi realizada por meio da comparação das

misturas contendo diferentes teores de SCP: 10, 20 e 30%. Quanto ao comportamento

mecânico das misturas, pode-se verificar que para maiores teores de SCP, foram obtidos

menores valores de módulo de resiliência, resistência à tração e vida de fadiga. No entanto, os

resultados puderam ser considerados satisfatórios, provando o potencial de utilização do

material como componente de camadas de revestimento asfáltico em pavimentos de baixo

volume de tráfego e possibilitando uma destinação mais nobre para o SCP do ponto de vista

ambiental e econômico.

Na região Norte do Brasil, VALENÇA, et. al (2011) realizaram a pesquisa, utilizando

fibras do açaí em compósitos asfálticos. Neste contexto, o trabalho analisou o

comportamento mecânico de misturas areia-asfalto (AAUQ) com inserção da fibra do açaí,

uso de asfalto-polímero e emprego de duas areias, uma residual (Areia Manaus) e outra

oriunda de Resíduos sólidos de Construção e Demolição (areia RCD). Objetivou viabilizar o

uso de materiais da região como alternativa técnica às vias urbanas. A partir dos resultados

concluiu-se que a fibra do açaí atuou preenchendo vazios, o polímero EVA elevou o valor de

módulo de resiliência, o polímero SBS aumentou a resistência à tração e a areia RCD

proporcionou altos valores de resistência à tração e módulo de resiliência.

Posteriormente, com o aumento da produção de areia de fundição residual (AFR),

KLINSKY, et. al (2012) analisou o reaproveitamento da mesma em AAUQ para emprego em

bases de pavimentos. Misturas com diferentes distribuições granulométricas, tipos e teores de

46

ligantes asfálticos foram avaliadas através de ensaios de módulo de resiliência, resistência à

tração e fluência por compressão uniaxial estática (creep). Os resultados foram analisados

estatisticamente para determinar a influência dos fatores nos parâmetros estudados. O

emprego de ligante asfáltico mais consistente produziu misturas com melhor desempenho. A

adição de 10% de agregado fino britado e 3% de cal hidratada, utilizados para modificar a

distribuição granulométrica das misturas, também melhorou as propriedades estudadas. De

modo geral, conclui-se que as misturas de AAUQ são uma boa solução para reaproveitar

grandes quantidades do resíduo.

Portanto, com os diversos estudos já realizados e seus respectivos resultados satisfatórios,

pode-se afirmar que a utilização de resíduos sólidos industriais em misturas asfálticas, do tipo

AAUQ, se tornou uma alternativa viável tanto economicamente como ambientalmente, pois

contribui na redução de custos das obras rodoviárias como também na exploração de

agregados naturais e destinação dos mesmos.

2.8 DOSAGENS DE MISTURAS ASFÁLTICAS

A dosagem de misturas asfálticas tem como principal objetivo, produzir uma mistura que

possua trabalhabilidade satisfatória e a melhor interação das seguintes características.

(ASPHALT INSTITUTE, 1997).

Estabilidade: Resistência à ação do tráfego sem sofrer distorções ou

deslocamentos;

Durabilidade: Resistência à desagregação pela ação do tráfego e/ou intemperismo;

Flexibilidade: Resistência à flexão sob ação de carga repetida, sem ocorrência de

fissuras;

Impermeabilidade: Resistência à penetração e à percolação de água; e

Resistência ao atrito.

Para se garantir o sucesso do revestimento asfáltico é imprescindível um bom projeto de

dosagem em laboratório de misturas (ALBUQUERQUE, 2005).

Dentre os métodos de dosagem, destacam-se (SILVA, 2010):

Hubbard-Fiel: Foi o primeiro procedimento documentado e determina a carga

máxima suportada por um CP, designada estabilidade Hubbard-Field;

47

Hveeem: Realiza análises de parâmetros volumétricos e de resistência de amostras

confeccionadas por compactação pulsante;

Marshall: Utiliza a compactação por impacto e estabelece o teor ótimo baseado

em propriedades volumétricas e medidas de Estabilidade e Fluência;

Superpave: Uma metodologia que estima o teor de projeto baseado no volume de

vazios e no conhecimento da granulometria de agregados, com utilização de um

dispositivo mecânico, denominado compactador giratório Superpave (SGC), para

a modelagem dos corpos-de-prova.

2.8.1 MÉTODO MARSHALL

Na década de 40, foi desenvolvida por Bruce Marshall, do Departamento de Transporte

do Estado do Mississipi (EUA), a metodologia Marshall. Baseado em um experimento

laboratorial, este método faz a dosagem de uma mistura asfáltica de forma a atender a

especificações tais como: estabilidade, fluência e parâmetros volumétricos (NASCIMENTO,

2011).

BERNUCCI et al., (2008) relata que a norma DNER-ME 43/95 fixa o modelo pelo qual

se determina a estabilidade e a fluência de misturas betuminosas usinadas a quente, utilizando

o aparelho Marshall. Para a compactação da mistura, recomenda-se o esforço de compactação

de 50 golpes para a pressão de pneu até 7 Kgf/cm², e de 75 golpes para a pressão de

7Kgf/cm², a 14 Kgf/cm², sendo esse esforço para cada lado do corpo de prova. A altura de

queda livre do soquete é de 45,72 cm.

Os procedimentos para o ensaio Marshall consistem basicamente nos seguintes passos

(ROHDE, 2007).

1. Preparação dos corpos-de-prova: A temperatura que o ligante deve ser aquecido,

para ser misturado aos agregados, sendo aquela na qual apresenta uma

viscosidade de (170±10) cSt. A de compactação da mistura é aquela na qual o

ligante apresenta uma viscosidade de (140±10) cSt.

2. Preparação da mistura: No mínimo três corpos-de-prova devem ser moldados para

cada dosagem de mistura betuminosa. Conhecidas estas porcentagens, em massa,

calcula-se a quantidade de cada um deles capaz de produzir um corpo de prova.

3. Método de ensaio: É executado com amostras cilíndricas de aproximadamente

102 mm de diâmetro e 63,5 mm de altura. Os corpos-de-prova são deixados em

48

repouso, ao ar livre, durante 12 horas, e extraídos dos moldes. São então pesados

(ao ar e imersos em água) para a obtenção dos elementos necessários ao cálculo

de suas características físicas. As amostras são imersas em água a 60º C, por um

período de 30 a 40 minutos, e em seguida são submetidas ao ensaio para a

determinação de suas características mecânicas (estabilidade e fluência).

4. Curvas típicas: Assim, com os dados calculados, são traçados as curvas de

variação da densidade, a estabilidade, a fluência, o volume de vazios (Vv), o

volume de vazios nos agregados minerais (VAM) e a relação betume vazios

(RBV), em função das porcentagens de ligantes analisadas.

A FIG 2.10 demonstra o procedimento do ensaio e a FIG 2.11 apresenta a curva de

estabilidade e fluência.

FIG. 2.10 Moldagem de corpos-de-prova tipo Marshall.

49

FIG. 2.11 Equipamento para o ensaio de estabilidade Marshall.

Com todos os resultados volumétricos e mecânicos obtêm-se as curvas típicas em função

do teor de asfalto. A FIG 2.12 apresenta exemplos de curvas obtidas com os parâmetros

medidos pelo ensaio Marshall.

FIG. 2.12 Exemplo de curvas dos parâmetros na dosagem Marshall (BERNUCCI,

2008).

50

O método Marshall é o procedimento mais utilizado, inclusive no Brasil, por ser mais

simples, com execução rápida e por utilizar equipamentos de baixo custo. No laboratório de

ligantes do IME, ainda é utilizado o método Marshall para dosagem de misturas. Porém,

adotam-se alguns critérios do Superpave, como a utilização da máxima densidade da mistura

(Gmm), em vez da densidade máxima teórica, e, eventualmente, o envelhecimento da massa

antes da compactação (REIS, 2013).

2.8.2 DETERMINAÇÃO DO TEOR ÓTIMO

A escolha do teor de asfalto é baseada somente no Volume de vazios (Vv), em AAUQ

para camadas de revestimento, deve estar entre 3 e 8%. É comum também a escolha se dar a

partir da estabilidade Marshall, da massa específica aparente e do Vv, sendo neste caso uma

média de três teores correspondentes aos teores associados à máxima estabilidade, à massa

específica aparente máxima da amostra compactada e a um Vv de 4% (NAPA 1982, apud

BERNUCCI, et. al, 2008).

Outra forma também de se obter este teor é fazendo o uso somente de dois parâmetros

volumétricos, Vv e RBV, que é apresentado na FIG 2.13.

FIG. 2.13 Representação esquemática dos grupos de corpos-de-prova (BERNUCCI, et.

al, 2008).

A partir de cinco valores médios de Vv e RBV obtidos nos grupos de corpos-de-prova, é

possível traçar um gráfico do teor de asfalto no eixo “x” versus Vv no eixo “y1” e RBV no

eixo “y2”, então adicionam-se linhas de tendência para os valores encontrados dos dois

parâmetros. Também deve constar no gráfico os limites específicos das duas variáveis, assim,

partir da interseção das linhas de tendência do Vv e RBV são determinados quatro teores de

CAP (X1, X2, X3 e X4). Logo o teor ótimo é selecionado tomando a média dos dois teores

centrais, ou seja, teor ótimo = (X2 + X3)/2, como demonstrado na FIG 2.14 a seguir.

51

FIG. 2.14 Teor de asfalto versus Vv e RBV (BERNUCCI, et. al, 2008).

BERNUCCI et. al (2008), afirma que os critérios convencionais volumétricos não

garantem que o teor ótimo corresponda necessariamente ao melhor teor para todos os aspectos

do comportamento de uma mistura asfáltica. Recomenda-se que numa dosagem racional a

mistura seja projetada para um determinado nível de resistência à tração (RT) e de módulo de

resiliência (MR), de maneira que os conjuntos de tensões nas camadas que compõem a

estrutura do pavimento não venham a diminuir sua vida útil.

O método Marshall tem como vantagem a atenção quanto às propriedades volumétricas e

quanto ao custo e manuseio do equipamento necessário, que é um valor considerado mais

acessível. No entanto, deve ser dada uma atenção quanto à natureza empírica, qualquer

alteração na moldagem e no procedimento do ensaio, pode acarretar em perda de

confiabilidade na relação da mistura ensaiada em laboratório com o comportamento em

campo. Sendo assim, tal método pode não conseguir garantir um bom desempenho em campo

e, por isso, internacionalmente, vem sendo substituído.

52

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo apresentam-se os materiais utilizados para o desenvolvimento desta

pesquisa, bem como a metodologia empregada para a realização da mesma além dos detalhes

de execução dos ensaios e os equipamentos utilizados em laboratório. Os ensaios foram

realizados no Laboratório de Ligantes e Misturas Asfálticas do Instituto Militar de Engenharia

– IME.

3.1 MATERIAIS

Neste estudo trabalhou-se com três materiais diferentes: Pó de pedra, resíduo do

beneficiamento do minério de ferro e o cimento asfáltico de petróleo (CAP).

3.1.1 RESÍDUO ARENOSO DA MINERAÇÃO DE FERRO

O resíduo do beneficiamento do minério de ferro empregado nesta pesquisa foi fornecido

pela empresa SAMARCO S/A, a qual possui um projeto de pesquisa em parceria com o

Instituto Militar de Engenharia - IME. Tal material tem sua origem na etapa de flotação do

beneficiamento da Mina Germano, apresentando característica de uma matriz arenosa. A FIG.

3.1 ilustra o registro fotográfico da barragem e dos pontos de coleta das amostras.

FIG. 3.1 Barragem de Germano.

53

As amostras foram transportadas para o Laboratório de Solos do IME e acondicionadas

em tambores, contendo o total de 400 kg de resíduo. A FIG. 3.2 demonstra o armazenamento

dos mesmos.

FIG. 3.2 Armazenamento das amostras em tambores.

3.1.2 PÓ DE PEDRA

O agregado miúdo pode ser areia, pó de pedra ou mistura de ambos, sendo que suas

partículas individuais devem ser resistentes, livres de torrões de argila e de substâncias

nocivas (DERBA ES-P-17/01). Neste estudo para compor a produção de misturas dos traços,

foi utilizado o pó de pedra, proveniente da empresa IPÊ Engenharia-RJ. A FIG. 3.3 apresenta

o agregado como foi recebido.

54

FIG. 3.3 Agregado miúdo.

3.1.3 CIMENTO ASFÁLTICO DE PETRÓLEO (CAP)

Nesta pesquisa, para o estudo com ligantes asfálticos, foi utilizado o CAP TECPOL

70/90-E, asfalto modificado por polímero, oriundo da PROBITEC (Produtos Betuminosos) e

o CAP 30/45, considerado como convencional.

Há uma classe especial de ligantes, denominada “asfalto modificado”. São chamados

assim, por receberem em sua composição um ou mais compostos que alteram as suas

propriedades reológicas. Tais modificadores podem ser minerais, compostos químicos, pó de

borracha ou ainda polímeros elastoméricos, tais como o SBS, SBR, EVA etc.

O principal objetivo da aplicação desses modificadores é conferir aos asfaltos melhores

propriedades em relação ao asfalto convencional, tais como: diminuição das deformações

plásticas a alta temperatura, aumento da resistência ao envelhecimento, aumento da vida de

fadiga, aumento da flexibilidade e elasticidade, maior resistência a trincamentos coesão e

durabilidade incrementando a resistência dos agregados ao arranque, sob a ação dos esforços

tangenciais gerados pelas cargas oriundas do tráfego, ao longo da sua vida útil (ROSA et. al,

2012).

55

3.2 MÉTODOS

Neste cenário apresentam-se os procedimentos e ensaios realizados para as análises

físicas e mecânicas dos agregados, análise física e reológica dos CAPs, e análise mecânica das

misturas confeccionadas.

As etapas adotadas para o desenvolvimento dessa pesquisa serão detalhadas neste

capítulo. Nesse sentido, englobam-se as fases de, coleta, preparação e caracterização dos

materiais, bem como, as dosagens e ensaios que avaliaram o comportamento das misturas

estudadas, baseando-se nos estudos já realizados anteriormente. A FIG 3.4 mostra o

fluxograma das etapas adotadas no desenvolvimento do estudo.

FIG. 3.4 Fluxograma das etapas do estudo experimental

As etapas que compuseram o estudo experimental deste trabalho foram:

56

1ª fase: Realização dos ensaios para caracterização dos agregados, através da análise

granulométrica, densidade real e aparente, equivalente de areia, adesividade ao ligante

e durabilidade. Caracterização dos ligantes asfálticos, através dos ensaios de

penetração, viscosidade Brookfield, ponto de amolecimento, ponto de fulgor,

ductilidade, separação de fase e RTFOT.

2ª fase: Realização da dosagem Marshall de misturas tipo areia asfalto usinada a

quente (A.A.U.Q.)

o Traço 1: com o uso de 100% de pó de pedra como agregado;

o Traço 2: com o uso de 75% de pó de pedra, 25% de resíduo;

o Traço 3: com o uso de 50% de pó de pedra e 50% de resíduo.

Todos os traços foram enquadrados na faixa C da DNER-ES 387/99.

o Traço 4: com o uso de 75% de pó de pedra e 25% de resíduo.

Este traço foi enquadrado na faixa B da DNIT-ES 032/06.

3ª fase: Definição do Teor Ótimo de cada traço

4ª fase: Ensaios para a caracterização mecânica das misturas confeccionadas:

Resistência a Tração por Compressão Diametral, Módulo de Resiliência e Vida de

Fadiga.

5ª fase: Dimensionamento do pavimento pelo programa SisPav

6ª fase: Avaliação Econômica e Ambiental.

Para a realização de todas as etapas descritas acima foram confeccionados 148 corpos de

prova, a TAB 3.1 apresenta o quantitativo de corpos de prova, distribuídos em relação aos

ensaios realizados.

TAB. 3.1 Quantitativo de corpos de prova por etapa.

ENSAIOS DIMENSÕES DO

CP (CM)

DOSAGEM MARSHALL:

QUANT. DE CP’S

1) Definição do Teor Ótimo 10 x 6 92

2) Estabilidade 10 x 6 12

3) RT (25ºC) 10 x 6 12

4) MR (25 ºC) e Vida de Fadiga (TC) 10 x 6 32

TOTAL 148

57

3.2.1 CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS

Os ensaios realizados estão apresentados na TAB. 3.2 e descritos detalhadamente a seguir.

TAB. 3.2 Ensaios de caracterização dos agregados.

PROPRIEDADES METODOLOGIA

Análise Granulométrica DNER-ME 083/98

Densidade real e aparente do agregado miúdo DNER-ME 084/95

Equivalente areia DNER-ME 054/97

Durabilidade DNER-ME 089/94

Adesividade DNER-ME 079/94

MEV - EDS -

Para o ensaio de caracterização, a preparação das amostras do resíduo e do pó de pedra

envolveram procedimentos de secagem ao ar, peneiramento segundo a DNER-ME 041/94 e, a

determinação da granulometria pela DNER-ME 083/98.

Os ensaios com o resíduo e o pó de pedra, que são necessários para AAUQ, foram

executados de acordo com a Norma DNIT-ES 032/2005 e DNER-ES 387/99.

3.2.1.1 GRANULOMETRIA

A distribuição granulométrica dos agregados é uma das suas principais características

e efetivamente influencia no comportamento dos revestimentos asfálticos. Para os agregados

miúdos utilizados nesta pesquisa, foi realizada a granulometria de acordo com a metodologia

DNER-ME 083/98, com a utilização de um peneirador mecânico convencional.

3.2.1.2 DENSIDADE REAL

A densidade real dos agregados miúdos foi determinada segundo a norma DNER-ME

084/95, que a define como sendo a relação da massa de determinado volume de amostra para

a massa de igual volume de água destilada ou deionizada à mesma temperatura. Iniciou-se o

ensaio com a separação do material retido nas peneiras de 4,8 mm e 0,075 mm e secagem em

estufa. Desta porção 500 g foi retirada e inserida em um picnômetro previamente pesado (P1).

Após, pesou-se o mesmo com a amostra em seu interior (P2). Foi inserido água até que

58

cobrisse toda amostra e aqueceu-se o picnômetro até a fervura para expulsão das bolhas de ar.

Logo após o seu resfriamento foi adicionada água destilada, e definiu o terceiro peso (P3). O

último peso (P4) foi dado pelo peso do picnômetro completamente cheio de água destilada. A

FIG 3.5 apresenta os materiais utilizados no ensaio.

FIG. 3.5 Picnômetro com amostra de pó de pedra e resíduo durante a realização do

ensaio.

Com os pesos encontrados foi possível determinar a densidade real dos grãos, pela EQ.

3.1:

, (3.1)

3.2.1.3 EQUIVALENTE DE AREIA

Descrito na norma DNER-ME 054/97, é a relação volumétrica que corresponde à razão

entre a altura do nível superior de areia e a altura do nível superior da suspensão argilosa de

uma determinada quantidade de material. Este ensaio determina a proporção relativa de

materiais do tipo argila ou pó em amostras de agregados miúdos. Para execução do ensaio, foi

inserida uma amostra do agregado em uma proveta contendo solução floculante. Logo após,

agitou-se horizontalmente por 30 segundos e completou-se a proveta com a solução até um

nível predeterminado, e deixado em repouso por 20 minutos. Posteriormente, foi realizada a

leitura da altura do nível superior da argila em suspensão e da altura do nível superior da

areia. Assim foi possível calcular o equivalente de areia pela EQ 3.2:

59

, (3.2)

Onde:

EA: equivalente de areia;

L1: altura do nível superior da argila em suspensão;

L2: altura do nível superior da areia.

A FIG 3.6 apresenta os materiais utilizados no ensaio.

FIG. 3.6 Equipamentos para o ensaio de equivalente de areia.

3.2.1.4 DURABILIDADE

De acordo com a DNER-ME 089/94, alguns agregados que inicialmente apresentam boas

características de resistência podem sofrer processos de desintegração química quando

expostos às condições ambientais no pavimento. Então, esse ensaio consiste em atacar o

agregado com solução saturada de sulfato de sódio ou de magnésio, a fim de verificar a sua

resistência à desintegração.

3.2.1.5 ADESIVIDADE

De acordo com a DNER-ME 079/94, a adesividade é a propriedade que tem o agregado

de ser aderido por material betuminoso. É avaliado pelo não deslocamento da película que

recobre o agregado, quando a mistura agregado e ligante é submetida à ação de água destilada

fervente e à soluções molares de carbonato de sódio ferventes.

60

3.2.1.6 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)

É uma ferramenta de investigação mais recente e extremamente útil para caracterização

de materiais. A superfície de uma amostra a ser examinada é rastreada com um feixe de

elétrons, e o feixe de elétrons refletido é coletado e então mostrado em uma tela, semelhante à

tela de uma TV. A imagem gerada na tela, representa as características da superfície da

amostra (CALLISTER JR, 2002).

O EDS (energy dispersive x-ray detector, EDX ou EDS) é um acessório essencial no

estudo de caracterização microscópica de materiais. Quando o feixe de elétrons incide sobre

um mineral, os elétrons mais externos dos átomos e os íons constituintes são excitados,

mudando de níveis energéticos. Ao retornarem para sua posição inicial, liberam a energia

adquirida a qual é emitida em comprimento de onda no espectro de raio-X. Um detector

instalado na câmara de vácuo do Microscópio Eletrônico por Varredura (MEV) mede a

energia associada a esse elétron. Como os elétrons de um determinado átomo possuem

energias distintas, é possível, no ponto de incidência do feixe, determinar quais os elementos

químicos estão presentes naquele local e assim identificar em instantes que mineral está sendo

observado (DEGEO, 2015).

O uso em conjunto do EDS com o MEV é de grande importância na caracterização

petrográfica e estudo petrológico nas geociências. Enquanto o MEV proporciona nítidas

imagens, o EDS permite sua imediata identificação (SANTOS, 2013).

FIG. 3.7 Equipamentos para o ensaio de MEV e EDS.

61

3.2.2 CARACTERIZAÇÃO DOS CIMENTOS ASLFÁLTICOS DE PETRÓLEO

Para essa pesquisa foi utilizado o CAP 70/90-E modificado por polímero, que como já

mencionado, aprimora as propriedades mecânicas da mistura em relação ao convencional, e o

CAP 30/45, considerado como convencional. A TAB 3.3 descreve os limites para este CAP

com polímero de acordo com o DNIT-EM 129 (2011).

TAB. 3.3 Caracterização do CAP 70/90-E utilizado nesta pesquisa.

AMOSTRA VIRGEM

ENSAIOS LIMITES NORMAS

Penetração @100g, 5s, 25ºC (0,1mm) 40 a 70 DNER-ME 003/99

Ponto de amolecimento (ºC) mín 70 NBR 6560

Viscosidade Brookfield (cP)

a 135ºC, SP 21, 20 rpm máx 3000 ASTM D 4402





Ponto de fulgor (ºC) mín 235 DNER-ME 149/94

Ensaio de Separação de Fase, máx 5 NBR-15166

Recuperação Elástica 25ºC, 20 cm. mín 90 NBR 15086

Massa específica e densidade relativa, 25ºC ---- NBR 6296

DNER-ME 193/96

APÓS RTFOT @163ºC, 85min

Variação em massa máx 1,0% ASTM D 2872

Variação do PA -5 a + 7 NBR 6560

Percentagem de Penetração Original min 80 DNER-ME 003/99

Percentagem de Rec. Elástica Original a 25ºC mín 80 NBR 15086

A TAB 3.4 descreve os limites para este CAP convencional de acordo com o DNIT-

EM 095/2006. Os ensaios realizados são descritos detalhadamente a seguir.

62

TAB. 3.4 Caracterização do CAP 30/45 utilizado nesta pesquisa.

AMOSTRA VIRGEM

ENSAIOS LIMITES NORMAS

Penetração @100g, 5s, 25ºC (0,1mm) 30 a 45 DNER-ME 003/99

Ponto de amolecimento (ºC) mín 52 NBR 6560


a 135ºC, SP 21, 20 rpm mín 374 ASTM D 4402


a 150ºC, SP 21, 50 rpm mín 203 ASTM D 4402


a 177ºC, SP 21, 100 rpm 76-285 ASTM D 4402

Ponto de fulgor (ºC) mín 235 DNER-ME 149/94

Índice de susceptibilidade térmica (1,5) a

(+0,7) NBR-15166

Solubilidade em tricloroetileno, mín 99,5% NBR 15086

Ductilidade a 25 ºC, mín 60 NBR 6293

Massa específica e densidade relativa, 25ºC ---- DNER-ME 193/96


Variação em massa máx 0,5% ASTM D 2872

Variação do PA 8 NBR 6560

Percentagem de Penetração Original min 60 DNER-ME 003/99

Ductilidade mín 10 NBR 6293

3.2.2.1 PENETRAÇÃO

A norma DNER-ME 003/99 define penetração como a distância em décimos de

milímetro que uma agulha padrão penetra verticalmente na amostra de material sob condições

prefixadas de carga, tempo e temperatura.

3.2.2.2 VISCOSIDADE BROOKFIELD

Conforme BERNUCCI et. al (2008), a viscosidade é uma medida da consistência do

cimento asfáltico, por resistência ao escoamento.. O viscosímetro Brookfield permite medir as

propriedades de consistência relacionadas ao bombeamento e à estocagem, dele se obtém o

gráfico de temperatura-viscosidade para projeto de mistura asfáltica. É necessário para se

63

conhecer as temperaturas de mistura e compactação das misturas de areia-asfalto. De acordo

com a norma DNER-ME 043/95, ensaio Marshall, o ligante deve ser aquecido para ser

misturado aos agregados à temperatura que apresente uma viscosidade de (170±20) cSt ou

(85±10) sSF. A FIG 3.8 apresenta o viscosímetro utilizado para o ensaio.

FIG. 3.8 Viscosímetro Brookfield.

3.2.2.3 PONTO DE AMOLECIMENTO

O ponto de amolecimento foi realizado de acordo com a norma ABNT NBR 6560:2008

que prescreve o modo pelo qual deve ser determinado o Ponto de Amolecimento dos

materiais asfálticos na faixa de 30ºC a 157ºC, utilizando a aparelhagem Anel e Bola. É uma

medida empírica que correlaciona à temperatura na qual o asfalto amolece quando aquecido

sob certas condições particulares.

3.2.2.4 DUCTILIDADE

A norma DNER-ME 163/98, define ductilidade como a resistência do corpo de prova de

material betuminoso, em condições padronizadas, submetido a uma tração em condições

especificadas, ou seja, a ductilidade é dada pelo alongamento obtido antes da ruptura.

https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=28990

64

3.2.3 DOSAGEM DAS MISTURAS ASFÁLTICAS – AAUQ

O procedimento de dosagem é tipicamente experimental. Consiste na seleção das

composições granulométricas das misturas a serem empregadas, formulando-se as

porcentagens relativas de cada componente mineral, seguido de análise volumétrica para

definição do teor de ligante, atendendo as especificações vigentes ou aos desígnios do

projetista. Tal procedimento deve propiciar ao revestimento um comportamento mecânico

capaz de resistir às solicitações de carregamento pelo tráfego. Para compor esta pesquisa, as

exigências para areia asfalto com polímero e para areia asfalto convencional, encontram-se

na TAB. 3.5 e TAB. 3.6 respectivamente, referentes à compactação Marshall com 75 golpes,

de acordo com a norma DNER-ES 387 (1999) e DNIT-ES 032 (2005).

TAB. 3.5 Especificações quanto à granulometria para misturas asfálticas do tipo AAUQ

com polímero.

Designação e Tamanho Nominal dos Agregados

DESIGNAÇÃO A B C TOLERÂNCIAS

Peneiras Porcentagem total passando (por peso)

Nome Abertura mm

(no 4) 4,75 mm 100 100 100 -

(no 10) 2,00 mm 90 – 100 90 – 100 85 – 100 ± 5%

(no 40) 0,42 mm 40 – 90 30 – 95 25 – 100 ± 5%

(no 80) 0,18 mm 10 – 47 5 – 60 0 – 62 ± 3 %

(no 200) 0,075 mm 0 - 7 0 - 10 0 - 12 ± 2%

Ligante polimerizado

solúvel tricloroetileno, % 5 – 8 5 – 8,5 5 – 9 ± 0,3%

TAB. 3.6 Especificações quanto à granulometria para misturas asfálticas do tipo

AAUQ.

Designação e Tamanho Nominal dos Agregados

DESIGNAÇÃO A B TOLERÂNCIAS

Peneiras Porcentagem total passando (por peso)

Nome Abertura mm

(3/8 pol.) 9,5 mm 100 - -

(no 4) 4,75 mm 80 – 100 100 ± 5%

(no 10) 2,00 mm 60 – 95 90 – 100 ± 4%

(no 40) 0,42 mm 16 – 52 40 – 90 ± 4%

(no 80) 0,18 mm 4 – 15 10 – 47 ± 3 %

(no 200) 0,075 mm 2 - 10 0 - 7 ± 2%

Emprego Revestimento Revestimento -

Cimento asfáltico %

sobre o total da mistura 6 – 12 7 – 12 ± 0,3%

65

3.2.4 COMPACTAÇÃO MARSHALL

Com as curvas granulométricas das misturas anteriormente obtidas e, com os ligantes já

definidos, o próximo passo consistiu no método Marshall de dosagem de misturas asfálticas.

A FIG 3.9 apresenta o passo a passo para confecção das misturas asfálticas, pelo método

Marshall.

FIG. 3.9 Passo a passo para confecção das misturas.

Os parâmetros adotados para a definição do teor ótimo de ligante para AAUQ com

polímero, estão indicados na TAB. 3.7 e para AAUQ convencional estão indicados na TAB

3.8.

TAB. 3.7 Parâmetros de referência para AAUQ com Polímero – DNER-ES 387 (1999)

DISCRIMINAÇÃO

ENSAIO

MARSHALL

DNER-ME 043

Porcentagem de vazios 3 a 8

Relação betume/vazios 65 - 82

Estabilidade, mínima 250 kgf (75 golpes)

Fluência, mm 2,4 – 4,5

66

TAB. 3.8 Parâmetros de referência para AAUQ – DNIT-ES 032 (2005)

DISCRIMINAÇÃO

ENSAIO

MARSHALL

DNER-ME 043

Porcentagem de vazios 3 a 8

Relação betume/vazios 65 - 82

Estabilidade, mínima 300 kgf (75 golpes)

Fluência, mm 2,4 – 4,5

3.2.5 ENSAIOS MECÂNICOS

Nesta fase, foram realizados os ensaios de resistência à tração, módulo de resiliência e

vida de fadiga, por compressão diametral, para avaliar o desempenho mecânico das misturas

confeccionadas.

3.2.5.1 ENSAIO DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO

No Brasil, o ensaio por resistência à tração (RT) por compressão diametral foi

desenvolvido pelo professor Fernando Luiz Lobo Carneiro (1953). Em seu método,

originalmente utilizado para concreto, considera a aplicação de duas forças concentradas e

diametralmente opostas de compressão em um cilindro que ao longo do diâmetro solicitado,

geram tensões de tração uniformes perpendiculares a esse diâmetro. Desde 1972, tem sido

adotado para a caracterização de misturas asfálticas, porém com a aplicação das forças através

de frisos de carga no corpo de prova cilíndrico Marshall convencional, pois apresenta

superfície lateral irregular e são bem mais deformáveis. (BERNUCCI et. al, 2008). A RT é

dada, normalmente expressa em MPa, é calculada através da EQ 3.4:

(3.4),

Onde:

F: Força aplicada de ruptura;

D: diâmetro do corpo de prova

H: altura do corpo de prova

67

A FIG 3.10 configura o ensaio de acordo com a norma DNER-ME 138/94.

FIG. 3.10 Esquema do ensaio de RT por compressão diametral.

A aparelhagem necessária para este ensaio está descrita abaixo e apresentada na FIG

3.11.

Prensa mecânica, com sensibilidade inferior ou igual a 19,60 N(ou 2,0 kgf), com

êmbolo movimentando-se a uma velocidade de 0,8±0,1 mm/s;

Sistema de refrigeração capaz de manter a temperatura em torno de 250C;

Paquímetro.

FIG. 3.11 Equipamento para ensaio de RT.

3.2.5.2 ENSAIO DE MÓDULO DE RESILIÊNCIA

Padronizado pela DNER-ME 133/94, o ensaio de módulo em misturas asfálticas, é

realizado aplicando-se uma carga repetidamente no plano diametral de um corpo de prova

cilíndrico regular. Tal carga gera uma tensão de tração transversalmente ao plano de aplicação

da carga. Então se mede o deslocamento diametral recuperável na direção horizontal

68

correspondente à tensão gerada numa dada temperatura. O módulo de resiliência (MR) é

calculado através da EQ 3.5:

𝑴𝑹 = (𝝈𝒕

𝜺𝒕)

𝑻

(3. 𝟓),

Onde:

σt: Tensão de tração;

εt: Deformação específica recuperável

T: Temperatura

Para este ensaio a aparelhagem necessária está descrita abaixo e apresentada na FIG 3.12.

Sistema Pneumático de carregamento, composto de:

o Regulador de pressão para aplicação da carga vertical repetida (F);

o Válvula de transmissão da carga vertical;

o Cilindro de pressão e pistão de carga;

o Dispositivo mecânico digital “timer” para controle do tempo de abertura

da válvula e frequência de aplicação da carga vertical.

Sistema de medição de deformação da amostra constituído de:

o Dois transdutores mecânico-eletromagnéticos LVDT (Linear variable

differential transformer);

o Suporte para fixação dos LVDT na amostra;

o Oscilógrafo e amplificador com características apropriadas para uso com

os transdutores;

Para esta pesquisa, foram realizados os ensaios em 32 corpos de prova, compactados pelo

método Marshall, sendo 8 para cada traço. Como resultado do ensaio, obtêm-se uma média de

03 valores de módulo para cada CP amostrado que corresponde ao MR da mistura. Então,

optou-se por utilizar os resultados de módulo de cada corpo de prova agrupados, que após um

tratamento estatístico, geraram um valor médio.

Na realização dos ensaios os corpos-de-prova foram submetidos à aplicação de uma carga

vertical repetida (F) diametralmente com vários níveis, de modo que deveria ser obtida uma

tensão menor ou igual a 30% da resistência à tração determinada no ensaio de compressão

diametral estático. A temperatura adotada foi de 25°C, com condicionamento prévio dos CPs

69

de duas horas. O recomendado pela norma é aplicação de uma carga menor (F), e com a

frequência de aplicação de 60 ciclos por minuto, duração de 0,10 segundo.

Os valores dos módulos foram obtidos através da EQ. 3.6.

𝑴𝑹 =𝑭

𝟏𝟎𝟎∆𝑯(𝟎, 𝟗𝟗𝟕𝝁 + 𝟎, 𝟐𝟔𝟗𝟐𝟎) (3. 𝟔),

Onde:

MR: módulo de resiliência, MPa;

F: carga vertical repetida aplicada diametralmente no corpo de prova, N;

Δ: deformação elástica ou resiliente registrada para 300,400 e 500 aplicações de carga

(F);

H: altura do corpo de prova (cm);

µ: coeficiente de Poisson

FIG. 3.12 Equipamento para ensaio de MR.

3.2.5.3 ENSAIO DE VIDA DE FADIGA

Fadiga é definida como o processo da mudança estrutural permanente, progressiva e

localizada que ocorre em um ponto do material sujeito a tensões de amplitudes variáveis que

produzem as fissuras que conduzem para totalizar a falha após um determinado número de

ciclos (ASTM, 1979 apud BERNUCCI et.al 2008).

A vida de fadiga de uma mistura asfáltica é definida em termos de vida de fratura (Nf) ou

vida de serviço (Ns), sendo que a primeira se refere ao número total de aplicações de certa

carga necessária à fratura completa da amostra e a segunda ao número total de aplicações

dessa mesma carga. Este ensaio, tradicionalmente utilizado no Brasil, é feito por compressão

diametral à tensão controlada (TC), sendo a carga aplicada numa frequência de 1 Hz através

de equipamento pneumático, gerando um estado biaxial de tensão no corpo de prova

70

convencional. No andamento do ensaio, a deformação de tração aumenta até o rompimento

completo. Para a realização deste, pode ser utilizado o mesmo equipamento de determinação

de módulo de resiliência (BERNUCCI et.al 2008).

Portanto, a vida de fadiga (N) do material pode ser definida como sendo o número total

de aplicações de carga suficiente para levar a amostra a um colapso estrutural, podendo ser

expressa pelas EQ. 3.7 e 3.8 (SILVA, 2010).

𝑵 = 𝒌𝟏 (𝟏

𝝈𝒕)

𝒏𝟏

(3. 𝟕),

𝑵 = 𝒌 (𝟏

∆𝝈)

𝒏

(3. 𝟖),

Onde:

N: vida de fadiga (número de aplicações de carga);

Δσ: diferença de tensões no centro do corpo de prova;

σt: tensão de tração;

K1, k, n e n1: constantes determinadas experimentalmente.

A FIG 3.13 demonstra o equipamento que utilizado para este ensaio. O procedimento

para a realização do ensaio se apresenta desta forma (SILVA, 2010).

Posicionar o corpo de prova sobre a base da prensa colocando-o entre os frisos

curvos metálicos;

Assentar o pistão de carga com o friso superior diametralmente oposto ao friso

inferior;

Aplicar uma carga (F) que induza tensões de tração horizontais com valores entre

10% a 50% da RT pré-determinada até a fratura completa do corpo de prova, dada

pela EQ. 3.9;

𝑭 =𝝅𝒙𝑫𝒙𝑯

𝟐 𝒙 (%𝑹𝑻) (3. 𝟗),

Frequência de aplicação das cargas sendo de 1 Hz (0,1 s de carregamento e 0,9 s

de descarregamento);

Então, plota-se um gráfico do tipo log-log entre o número de aplicações de carga

(N) e a diferença entre a tensão máxima horizontal e vertical no centro do corpo

71

de prova (Δσ) conforme a EQ. 3.10, para obtenção da curva de vida de fadiga da

mistura.

𝚫𝛔 =𝟐 𝒙 𝑭

𝝅𝒙𝑫𝒙𝑯 (3. 𝟏𝟎),

A curva de vida de fadiga também pode ser representada em função da

deformação específica resiliente inicial ( ) expressada pela EQ. 3.11, versus o

número de repetições de carga (N).

𝜺𝒊 =%𝑹𝑻

𝑴𝑹 (3. 𝟏𝟏);

FIG. 3.13 Equipamento para ensaio de Vida de Fadiga.

3.2.6 DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO

ROCHA (2010) relatou que o dimensionamento adequado de um pavimento asfáltico visa

assegurar que o carregamento dinâmico das rodas dos veículos não irá causar o trincamento

excessivo da camada de revestimento, além de garantir que as espessuras das camadas sejam

capazes de minimizar os efeitos do afundamento da trilha de roda, considerando a

compatibilidade entre as deformabilidades dos materiais.

Os métodos para o dimensionamento de pavimentos estão agrupados em dois grupos:

empíricos, que são aqueles que são concebidos através de experiências em campo e com base

em observações, mecanístico que são aqueles concebidos a partir da teoria da elasticidade e

que consideram a estrutura do pavimento como um sistema de multicamadas, avaliando o

comportamento mecânico dos pavimentos. (SILVEIRA, 2015).

72

Sendo assim, o método utilizado para dimensionamento do pavimento neste trabalho

baseou-se em uma abordagem mecanística-empírica, proposta por FRANCO (2007), através

do programa SisPav. Os principais elementos de influência no dimensionamento através deste

programa são o tráfego, o ambiente (clima) e os materiais envolvidos (estrutura).

Para a realização da comparação do comportamento das misturas levando-se em

consideração a estrutura do pavimento, a rigidez das camadas, o tipo de carregamento, o

tráfego e as variações climáticas ao longo do ano, optou-se pela utilização das equações

características de cada mistura oriundas do ensaio de vida de fadiga. Esta relação é inserida

no programa para uma simulação da deformação e, com isso, estimar a vida de serviço do

pavimento.

O fluxograma básico utilizado para o desenvolvimento deste programa é apresentado na

Figura 3.14, com os detalhamentos para análise da influência do clima, da combinação dos

diversos tipos de eixos e da variação lateral do tráfego.

FIG. 3.14 Fluxograma do SisPav.

73

Com o intuito de verificar a empregabilidade dos traços executados com o resíduo do

beneficiamento do minério de ferro, fez-se uma simulação no SisPav, que tem como os

principais elementos de influência no dimensionamento o tráfego, o clima e a estrutura. Os

mesmos são detalhados a seguir:

Estrutura

Por definição e para aplicação no programa, a estrutura de um pavimento pode ser

resumida nas propriedades relativas ao tipo de material utilizado, à espessura das camadas, ao

módulo de resiliência, ao coeficiente de Poisson e à condição de aderência das camadas.

Neste estudo considerou uma estrutura composta por quatro camadas: revestimento, base,

sub-base e subleito.

A composição das camadas foi baseada na pesquisa de GALHARDO (2015), que utilizou

uma mistura de 80% de solo residual de filito com 20% de resíduo arenoso, o mesmo

utilizado nesta pesquisa, ressaltando o uso de materiais alternativos em pavimentação. Foi

considerado também os mesmos valores de MR e coeficiente de Poisson para as camadas de

base, sub-base e subleito. Para a camada de revestimento foram aplicados os traços estudados.

Abaixo na FIG 3.15 segue a composição de cada camada do pavimento.

FIG. 3.15 Estrutura do pavimento típico adotado.

No entanto, para determinação da espessura das camadas, tomou-se como base o Manual

de Pavimentação (DNIT, 2006), que estabelece as espessuras recomendadas de acordo com o

tráfego, conforme apresentado na TAB. 3.9.

REVESTIMENTO

BASE

SUB-BASE

SUBLEITO

σ = 0,337 e = 5 cm

MR = k1, k2 = variável

σ = 0,350 e = 25 cm

MR = 500 MPa

σ = 0,350 e = 25 cm

MR = 500 MPa

σ = 0,400 e = semi-infinita

MR = 52 MPa

74

TAB. 3.9 Espessura mínima de Revestimento Betuminoso.

N ESPESSURA MÍNIMA DE REVESTIMENTO

N ≤106 Tratamentos superficiais betuminosos

106<N ≤ 5 x 10

6 Revestimentos betuminosos com 5,0 cm de espessura

5 x 106<N ≤ 10

7 Concreto betuminoso com 7,5cm de espessura

107

<N ≤ 5 x 107 Concreto betuminoso com 10,0 cm de espessura

N >5 x 107 Concreto betuminoso com 12,5cm de espessura

Por sua vez, a camada de revestimento foi composta pelos materiais e traços

desenvolvidos nesta pesquisa. Então, foram utilizados os parâmetros k1, k2 encontrados a

partir de resultado do ensaio de vida de fadiga. Adotou-se uma espessura de revestimento de

5,0 cm, que seria o menor valor de pavimento previsto. O valor da espessura da camada de

subleito foi considerado também de acordo com os critérios do programa, uma vez que a

espessura desta não tem influência no dimensionamento das outras camadas.

Tráfego

Quanto a este quesito, para dimensionamento de um pavimento flexível de uma rodovia,

é necessário o número ‘N’. Segundo DNIT (2006) o número ‘N’ é definido pelo número de

repetições de um eixo-padrão de 8,2 toneladas durante o período de vida útil do projeto, que

teria o mesmo efeito que o tráfego previsto sobre a estrutura do pavimento. Foi adotado neste

estudo o dimensionamento de um trafego médio a alto, considerando 5 x 106<N ≤ 10

7.

Clima

Analisando que a geração do resíduo se encontra na região de Mariana-MG, foi escolhida

para este parâmetro a cidade de Belo Horizonte-MG, para facilitar e diminuir a distância do

transporte do resíduo até o local da sua possível aplicação.

Nível de confiabilidade

Sabe-se que os parâmetros envolvidos no projeto de uma rodovia são de natureza

probabilística. FRANCO (2007) define confiabilidade como a medida da probabilidade da

serventia do pavimento de permanecer em um nível adequado através da vida de serviço, ou

seja, é a probabilidade de um sucesso no projeto do pavimento. Tendo em vista esta definição,

admitiu-se um nível de confiabilidade de 90%.

75

3.2.7 ANÁLISE DE CUSTO

Para esta pesquisa foi realizada uma análise de custo utilizando como base a composição

de AAUQ, apresentada pelo DNIT no seu Sistema de Custo Rodoviário (SICRO 2) no mês de

referência Julho de 2015, sendo que, uma composição utilizando o traço T1 e outra com o T3

que contém o resíduo do beneficiamento do minério de ferro, ambas para a região de Minas

Gerais. O uso do T3 foi considerado nesta fase pois possui em sua composição 50% de

resíduo e 50% de agregado, ou seja, este traço é o contém uma quantidade maior de resíduo,

contribuindo para o objetivo da pesquisa.

Neste sentido, para análise de custo do emprego do resíduo em pavimentação asfáltica,

considerou-se o valor da areia comercial (AC) de R$ 83,67 m3 e o custo unitário de referência

do resíduo de R$ 1,39 m3km. Em relação ao preço do Cimento Asfáltico de Petróleo tomou-se

apenas o custo da aquisição, apresentado pela ANP, não sendo computado o custo do

transporte deste da refinaria até a usina. Então adotaram-se os seguintes cenários:

1° Cenário: Calculou-se um raio máximo, na qual o valor do custo do resíduo fosse

igual ao custo de aquisição da Areia Comprada;

2° Cenário: Em posse das composições de usinagem de AAUQ, considerando os

traços T1 e T3, calculou-se a distância, onde a instalação da usina de asfalto fosse

satisfatória.

76

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste capítulo apresentam-se os resultados dos ensaios laboratoriais realizados de acordo

com os métodos descritos no capítulo anterior seguindo a mesma ordem de apresentação e,

sendo relatada primeiramente a caracterização dos materiais.

Logo após são apresentados os resultados referentes as dosagens dos traços, compactação

Marshall e os respectivos ensaios mecânicos.

Finalmente são definidos os parâmetros necessários para o dimensionamento do

pavimento que foi realizado pelo programa SisPav.

4.1 CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS

Os materiais utilizados foram: pó de pedra e o resíduo. Os mesmo foram caracterizados

de acordo com as normas do DNIT para a utilização de agregados na pavimentação.

4.1.1 GRANULOMETRIA

Os resultados da granulometria dos agregados se encontram-se expressos na TAB 4.1.

TAB. 4.1 Resultados dos ensaios de caracterização dos agregados.

PENEIRAS % PASSANTE

pol. mm Pó de pedra Resíduo

2" 50,8 100,00 100,00

1 1/2" 38 100,00 100,00

1" 25 100,00 100,00

3/4" 19 100,00 100,00

1/2" 12,7 100,00 100,00

3/8" 9,5 100,00 100,00

4 4,8 99,43 100,00

10 2 76,15 100,00

40 0,42 37,88 99,35

80 0,18 14,88 72,88

200 0,075 1,74 20,88

Na FIG. 4.1 estão representadas as curvas granulométricas dos agregados.

77

FIG. 4.1 Representação das Curvas granulométricas dos agregados.

Pela análise da FIG 4.1, pode-se observar que o resíduo possui 25% do seu material

passante na peneira de nº 200 (0,075mm), o que corresponde a um alto percentual de finos, se

caracterizando como uma areia fina. E pó de pedra tem seu material passante entre as peneiras

nº 200 e nº 10.

Além disso, percebe-se que tanto o resíduo quanto pó de pedra apresentam uma

graduação uniforme, ou seja, possuem a maioria de suas partículas com tamanhos em uma

faixa estreita, caracterizando uma curva granulométrica bastante íngreme.

Quanto ao tamanho os agregados para o uso em misturas asfálticas podem ser

classificados como graúdos, miúdos ou materiais de enchimento. Os materiais analisados são

considerados, segundo DNIT/ES 031 (2004), como agregados miúdos, pois ficaram retidos na

peneira de nº 200 e passantes na de abertura nº 10, são as areias, pó de pedra, etc.

Os resultados obtidos para os demais ensaios de caracterização dos agregados são

apresentados na TAB. 4.2.

78

TAB. 4.2 Resultados dos ensaios de caracterização dos agregados

ENSAIOS RESULTADOS LIMITE

DNER PÓ-DE-PEDRA RESÍDUO

Densidade real 2,74 3,01 -

Densidade aparente 1,44 1,58 -

Equivalente de areia 63,02% 79,53% mín 55%

Durabilidade

(sulfato de magnésio – 5 ciclos) 2,58% 5,56% máx 12%

Adesividade ao ligante asfáltico Ótima Ótima

De acordo com a TAB. 4.2, se tratando do ensaio de Equivalente de areia e Durabilidade,

os resultados dos ensaios realizados se encontram dentro do limite estabelecido por norma. Os

demais não dispõem de limites pré-estabelecidos. Logo para os CAPs, a utilização de um

melhorador de adesividade foi favorável.

Contudo, de forma preliminar, pode-se dizer que os materiais apresentam boa qualidade

para o emprego em misturas asfálticas, corroborando com a possibilidade de uso do resíduo

como agregado miúdo em AAUQ.

4.1.2 MEV E EDS

A caracterização química do resíduo do beneficiamento do minério de ferro foi realizada

no Laboratório de Ciências dos Materiais do IME. Na FIG. 4.2 tem-se a imagem da fração do

resíduo, obtida pelo MEV, de forma que é possível observar suas características.

FIG. 4.2 Imagem obtida pelo MEV com aumento de 250x (A) e 1000 (B).

79

A partir da análise da FIG. 4.2, percebe-se que o material além de apresentar certa

heterogeneidade em relação ao tamanho das partículas, possui grãos com superfície lisa e com

ausência de poros. Identificam-se ainda algumas fissuras na amostra, e a sua forma pode ser

interpretada como irregular.

A determinação dos elementos presentes no resíduo via EDS foi realizada analisando

duas frações da mesma amostra considerada no MEV, para se obter um resultado mais

significativo. A caracterização química está descrita através da FIG. 4.3 e TAB 4.3.

FIG. 4.3 Imagem obtida pelo EDS das duas frações da amostra.

TAB. 4.3 Composição química do resíduo por meio do EDS.

AMOSTRA 1 AMOSTRA 2

Composição Porcentagem Composição Porcentagem

C 7,31 C 5,65

O 18,67 O 17,82

80

TAB. 4.3 Composição química do resíduo por meio do EDS (Continuação).

AMOSTRA 1 AMOSTRA 2

Composição Porcentagem Composição Porcentagem

Al 0,05 Al -

Si 17,15 Si 17,52

S - S 0,01

Fe 6,71 Fe 6,56

A partir da avaliação realizada na amostra através do ensaio de EDS, verifica-se alta

concentração de silício, seguido de ferro, o que é coerente, uma vez que todas as amostras são

produto do beneficiamento de minério de ferro. Embora essas análises não tenham um grau de

acurácia elevado, percebe-se que as partículas de sílica são em maior quantidade que as de

ferro.

4.1.3 CARACTERIZAÇÃO DOS CIMENTOS ASFALTICOS DE PETRÓLEO

Os ligantes utilizados foram o 70/90-E e o 30-45, os resultados do CAP com polímero

seguem na TAB. 4.4.

TAB. 4.4 Caracterização do CAP 70/90 -E.

AMOSTRA VIRGEM

ENSAIOS RESULTADOS LIMITES

Penetração @100g, 5s, 25ºC (0,1mm) 45 40 a 70

Ponto de amolecimento (ºC) 73,9 mín 70

Viscosidade Brookfield (cP) a 135ºC, SP 21,

20 rpm 707,5 máx 3000


50 rpm 489 máx 2000


100 rpm 109 máx 1000

Ponto de fulgor (ºC) 290 mín 235

Ensaio de Separação de Fase, máx 2 5

Recuperação Elástica 25ºC, 20 cm. 98 mín 90

Massa específica e densidade relativa, 25ºC 1,051 ----


Variação em massa (%) 0,27 máx 1,0

81

TAB. 4.4 Caracterização do CAP 70/90–E (Continuação).

Variação do PA 6,1 -5 a + 7



Percentagem de Penetração Original 88 min 80

Percentagem de Rec. Elástica Original a 25ºC 84,5 mín 80

As faixas de temperatura de mistura e de compactação dos corpos de prova para o CAP

70/90-E, utilizando a metodologia Marshall, foram encontradas a partir da curva viscosidade-

temperatura apresentada na FIG. 4.4.

FIG. 4.4 Curva viscosidade x temperatura do CAP.

A TAB 4.5 indica as referências e os parâmetros adotados nas temperaturas encontradas

para a confecção dos corpos de prova.

TAB. 4.5 Parâmetros e referências para a determinação da temperatura do CAP 70/90-

E.

PROCEDIMENTO RESULTADO (ºC) LIMITES (poise) Utilizado

Mistura 167º a 171º 0,17 ± 0,02 169º

Compactação 159º a 163º 0,28 ± 0,03 161º

82

Partindo para a caracterização do CAP convencional, segue os resultados na TAB. 4.6.

TAB. 4.6 Caracterização do CAP 30/45.

AMOSTRA VIRGEM


Penetração @100g, 5s, 25ºC (0,1mm) 38 30 a 45

Ponto de amolecimento (ºC) 53,0 mín 52


a 135ºC, SP 21, 20 rpm 580,0 mín 374


a 150ºC, SP 21, 50 rpm 278,0 mín 203


a 177ºC, SP 21, 100 rpm 95,6 76-285

Ponto de fulgor (ºC) 235 mín 235

Solubilidade em tricloroetileno, mín. 99,5% 99,5%

Massa específica e densidade relativa, 25ºC 1,060

Ductilidade a 25°C, cm >100 mín 60


Variação em massa 0,06% máx 0,5%

Variação do PA 6,8 máx 8

Penetração retida, % 68,4 mín 60

Ductilidade a 25ºC, cm 14,5 mín 10

As faixas de temperatura de mistura e de compactação dos corpos de prova para o CAP

30/45 utilizando a metodologia Marshall foram encontradas a partir da curva viscosidade-

temperatura apresentada na FIG. 4.5.

83

FIG. 4.5 Curva viscosidade x temperatura do CAP.

A TAB 4.7 indica as referências e os parâmetros adotados nas temperaturas encontradas

para a confecção dos corpos de prova.

TAB. 4.7 Parâmetros e referências para a determinação da temperatura do CAP 30/45.

PROCEDIMENTO RESULTADO (ºC) LIMITES (poise) Utilizado

Mistura 159º a 166º 0,17 ± 0,02 163º

Compactação 148º a 153º 0,28 ± 0,03 150º

Os dados das referidas tabelas indicam que os cimentos asfálticos estudados atendem as

especificações brasileiras regulamentadas pela Agência Nacional de Petróleo (ANP). Nota-se

que o CAP com polímero proporcionou um aumento das temperaturas de viscosidade,

considerando um CAP mais consistente.

4.1.4 DOSAGEM DOS TRAÇOS DE AAUQ

Após o processo de caracterização dos materiais e, com a finalidade de dosar e realizar

ensaios mecânicos, foram confeccionados três traços com CAP polímero e um traço com CAP

84

convencional para aplicação do método Marshall. As nomenclaturas adotadas para os traços e

as faixas de enquadramento que foram adotadas estão descritos na TAB. 4.8.

TAB. 4.8 Nomenclatura das traços das misturas asfálticas.

DESCRIÇÃO COMPOSIÇÃO

FAIXAS DE ENQUADRAMENTO

AAUQ/DNER-ES 387

(1999)

AAUQ/DNIT-ES 032

(2005)

T1 Pó de Pedra FAIXA C -

T2 Pó de Pedra e Resíduo FAIXA C -

T3 Pó de Pedra e Resíduo FAIXA C -

T4 Pó de Pedra e Resíduo - FAIXA B

Foram dosados quatro traços com agregados diferentes para comparação. As curvas

granulométricas foram ajustadas, onde se pode obter um melhor enquadramento na faixa C de

AAUQ com polímero de especificação da norma DNER-ES 387 (1999) e faixa B de AAUQ

de especificação da norma DNIT 032 (2005). O Traço 1 (T1) foi considerado como matriz de

comparação utilizando somente o pó de pedra e, o Traço 2 (T2) foi realizado considerando o

pó de pedra, e o resíduo em proporções menores. Já para o Traço 3 (T3), foi realizado

considerando o máximo de resíduo possível, observando os limites granulométricos para este

tipo de mistura asfáltica. Finalmente o Traço 4 (T4) seguiu o mesmo percentual do T2, porém

diferenciando o CAP utilizado.

Cabe ressaltar, que em todos os traços foi preciso realizar um peneiramento do pó de

pedra para que não houvesse elevação do teor de finos quando este fosse substituído em peso

seco pelo resíduo.

Os percentuais dos agregados em cada traço estão apresentados na TAB 4.9.

TAB. 4.9 Composição de cada traço de AAUQ.

DESCRIÇÃO COMPOSIÇÃO

Pó de pedra Resíduo CAP

T1 100% - 70/90-E

T2 75% 25% 70/90-E

T3 50% 50% 70/90-E

T4 75% 25% 30/45

85

Após o enquadramento granulométrico dos traços obtiveram-se os resultados de material

passante em cada peneira, os quais estão apresentados na TAB. 4.10.

TAB. 4.10 Granulometrias das misturas para Marshall.

PENEIRA (mm) COMPOSIÇÃO

T1 T2 T3 T4

50,8 (2") 100,00 100,0 100,0 100,0

38 (1 1/2") 100,00 100,0 100,0 100,0

25,4 (1") 100,00 100,0 100,0 100,0

19 (3/4") 100,00 100,0 100,0 100,0

12,7 (1/2") 100,00 100,0 100,0 100,0

9,5 (3/8") 100,00 100,0 100,0 100,0

4,74 (#4) 100,00 100,0 100,0 100,0

2,0 (#10) 100,00 100,0 100,0 100,0

0,42 (#40) 48,33 61,1 73,8 61,1

0,18 (#80) 17,14 31,1 45,0 31,1

0,075 (#200) 3,28 7,7 12,1 7,7

Na FIG. 4.6 estão representadas as curvas granulométricas dos traços dentro dos limites

estabelecidos pelas normas e nas seguintes faixas.

FIG. 4.6 Representação das curvas granulométricas das misturas.

86

4.1.5 COMPACTAÇÃO MARSHALL

Definido os traços procedeu-se a compactação Marshall. Os materiais foram selecionados

e misturados obedecendo às temperaturas indicadas na TAB 4.5 e TAB 4.7. Foram realizados

92 CPs, contendo 1200g de mistura dos agregados em cada, compactados a 75 golpes por

face. A definição dos teores se deu pelas normas, que definem para a faixa C a variação de

5% a 9% de CAP com polímero e para a faixa B a variação de 7 a 12% de CAP convencional.

Baseado em trabalhos anteriores já realizados no Laboratório de Ligantes do IME com este

resíduo, tomou-se a escolha de iniciar com o 7,5% e estender até 10,5% para T1, T2, T3 e de

8% a 11% para o T4, para se obter um melhor enquadramento dos resultados. Para a

determinação dos parâmetros volumétricos, utilizou-se a densidade máxima medida da

mistura asfáltica (Gmm), obtido pelo método Rice.

4.1.5.1 TRAÇO 1

No Traço 1, composto somente pelo pó de pedra como agregado miúdo, foram

executados 28 corpos de prova, sendo quatro para cada teor definido. A TAB 4.11 apresenta

os resultados de cada teor.

TAB. 4.11 Parâmetros obtidos para o T1.

%

LIGANTE

MASSA ESPECÍFICA Vv

(%)

RBV

(%)

ESTABILIDADE

(kgf)

FLUÊNCIA

(mm) MEDIDA APARENTE

(DNER-ES

387/99)

(Gmm)

(kg/cm³)

(Gmb)

(kg/cm³) 3 - 8 65 - 82 >250 2,0 – 4,5

7,5 2,407 2,209 8,23 65,69 1358 10

8,0 2,418 2,208 8,70 65,90 1036 12

8,5 2,389 2,239 6,30 74,19 1105 10

9,0 2,377 2,257 5,04 79,32 1157 10

9,5 2,356 2,277 3,34 86,04 1355 9

10,0 2,216 2,275 2,65 89,09 1240 11

10,5 2,210 2,263 2,41 90,37 1284 12

87

A princípio pode-se perceber que os parâmetros dos teores de 8,5% a 9,5% se enquadram

melhor à norma. A partir disso pode-se então selecionar o teor de projeto com os parâmetros

de VV e RBV. Com estes valores obtidos foi possível traçar o gráfico da FIG.4.7 onde é

relacionado o teor de asfalto (no eixo “x”) versus Vv (no eixo “y1”) e RBV (no eixo “y2”).

Adicionam-se então linhas de tendência para os valores encontrados dos dois parâmetros.

FIG. 4.7 Teor de asfalto versus Vv e RBV do T1.

A partir do gráfico, tomando a média dos dois teores centrais, pode-se determinar o teor

ótimo do T1, que foi de 8,6 ± 0,3.

4.1.5.2 TRAÇO 2

Tomando conhecimento do teor ótimo do T1, para o T2 foi utilizado os teores partindo de

8% até 10%, pois verificou-se que, os valores menores que 8% e maiores que 9,5%, não se

enquadraram na norma. Como se tem a mistura do pó de pedra e do resíduo entende-se que

com a maior concentração de finos uma maior quantidade de ligante será preciso para a

mistura. Então foram executados 20 corpos de prova, sendo 4 para cada teor definido. A TAB

4.12 apresenta os resultados de cada teor.

88


%

LIGANTE


(%)

RBV

(%)

ESTABILIDADE

(kgf)

FLUÊNCIA


(DNER-ES

387/99)

(Gmm)

(kg/cm³)

(Gmb)

(kg/cm³) 3 - 8 65 - 82 >250 2,0 – 4,5

8,0 2,436 2,203 9,55 63,72 1175 7

8,5 2,423 2,252 7,06 72,06 1287 8

9,0 2,397 2,270 5,29 78,61 1359 8

9,5 2,375 2,295 3,39 85,95 1599 8

10,0 2,358 2,302 2,66 89,14 1513 8

Para T2 os parâmetros se enquadraram nos mesmos teores do T1, sendo de 8,5% a 9,5%.

Logo então determinou o teor de projeto traçando o gráfico da FIG 4.8.




89

4.1.5.3 TRAÇO 3

Para o T3, foram tomados os mesmos teores do T2, partindo de 8% até 10%, foram

executados 20 corpos de prova, sendo 4 para cada teor definido. A TAB 4.13 apresenta os

resultados de cada teor.


%

LIGANTE


(%)

RBV

(%)

ESTABILIDADE

(kgf)

FLUÊNCIA


(DNER-ES

387/99)

(Gmm)

(kg/cm³)

(Gmb)

(kg/cm³) 3 - 8 65 - 82 >250 2,0 – 4,5

8,0 2,497 2,202 11,80 58,68 1013 6

8,5 2,471 2,229 9,78 64,83 1096 7

9,0 2,460 2,239 8,98 68,10 1094 8

9,5 2,330 2,253 3,32 85,98 1185 9

10,0 2,285 2,275 0,43 98,05 1359 8

Para T3 os parâmetros se enquadraram nos teores de 9,0% e 9,5%. Logo então

determinou o teor de projeto traçando o gráfico da FIG.4.9.


90



4.1.5.4 TRAÇO 4

Para o T4, foram tomados os mesmos teores do T2, variando o CAP, partindo de 8% até

11%, foram executados 24 corpos de prova, sendo 4 para cada teor definido. A TAB 4.14

apresenta os resultados de cada teor.


%

LIGANTE


(%)

RBV

(%)

ESTABILIDADE

(kgf)

FLUÊNCIA


(DNIT-ES

032/05)

(Gmm)

(kg/cm³)

(Gmb)

(kg/cm³) 3 - 8 65 - 82 >300 2,0 – 4,0

8,0 2,463 2,219 9,92 62,80 792 8

8,5 2,458 2,238 8,95 66,73 707 7

9,0 2,413 2,252 6,65 74,19 591 9

9,5 2,370 2,272 4,14 83,10 637 6

10,0 2,366 2,288 3,31 86,70 701 7

11,0 2,286 2,280 0,28 98,83 648 6

Para T4 os parâmetros se enquadraram entre os teores de 9,0% e 10,0%. Logo então

determinou o teor de projeto traçando o gráfico da FIG. 4.10.

91




De forma geral, nota-se que teores maiores de ligantes levam a diminuição do volume de

vazios nos traços e em todos os traços esse parâmetro se manteve dentro dos limites

estabelecidos por norma. Quanto à relação betume-vazios, a relação estabelecida foi contrária,

uma vez que com o aumento do teor de ligante os valores de RBV também aumentaram. Os

valores de fluência não atenderam a norma em nenhum dos traços, porém percebe-se que com

a adição do resíduo houve uma tendência a diminuição do seu valor. Os valores de

estabilidade atenderam a norma de forma satisfatória apresentando valores bem superiores ao

mínimo previsto.

4.1.5.5 COMPARAÇÃO ENTRE OS TRAÇOS

A partir dos teores ótimos de cada traço foram executados 12 corpos de prova, sendo 3

para cada, onde foram realizados os ensaios de Estabilidade e Fluência. O percentual dos

materiais em cada traço de teor ótimo são apresentados na TAB 4.15.

92

TAB. 4.15 Percentual do Teor de Projeto dos Traços.

Traço Teor de Ligante

(%) Pó de Pedra (%) Resíduo (%) (Gmm) (kg/cm³)

T1 8,6 ± 0,3 91,40 - 2,390

T2 8,9 ± 0,3 68,33 22,78 2,403

T3 9,1 ± 0,3 45,45 45,45 2,394

T4 9,1 ± 0,3 68,18 22,73 2,359

É apresentada uma tabela resumo para a comparação dos teores ótimos de cada traço na

TAB. 4.16.

TAB. 4.16 Parâmetros finais da dosagem Marshall.

TRAÇO

PARÂMETROS

ÓTIMO

%

Vv

%

RBV

%

ESTABILIDADE

kgf

FLUÊNCIA

Mm

(DNER-ES 387/99) 5 - 9 3 - 8 65 - 82 >250 2,4 – 4,5

T1 8,6 ± 0,3 5,15 81,00 1270 9,2

T2 8,9 ± 0,3 5,65 77,50 1380 7,7

T3 9,1 ± 0,3 6,50 73,50 1100 7,6

(DNIT-ES 032/05) 7 - 12 3 - 8 65 - 82 >300 2,0 – 4,5

T4 9,1 ± 0,3 5,34 78,21 975 7,0

Seguindo o procedimento padrão da volumetria, todos os traços atenderam aos critérios

de percentual de volume de vazios (Vv), da relação betume/vazios (RBV) e da estabilidade.

Os teores de CAPs se mantiveram próximos e respeitando a tolerância de ±0,3% dentro

da norma, sendo que houve um aumento no Vv nos traços com adição do resíduo. Sobre a

estabilidade, pode-se verificar que o T2 quando comparado ao T1 teve um acréscimo, o

mesmo também foi maior em relação ao T3, por ter um percentual menor de resíduo em sua

composição e pela adição do CAP com polímero que proporciona uma melhor coesão entre os

grãos, um aumento da flexibilidade e estabilidade. Quanto ao T4, este com o ligante mais

duro, não apresentou melhora na estabilidade quando analisado em iguais teores de resíduo,

como o T2.

93

No entanto o parâmetro de fluência não foi atendido em nenhum dos traços, mas houve

uma redução para os mesmos com a adição do resíduo. Percebe-se que com o maior

percentual de resíduo a fluência é menor e alterando o ligante também houve redução do valor

deste parâmetro.

Portanto, mesmo não obtendo a fluência estabelecida pela norma, é importante ressaltar

que os ensaios mecânicos devem ser realizados para se afirmar a viabilidade destas misturas,

visando entender o comportamento da mesma e estimar sua vida útil.

4.1.6 ENSAIOS MECÂNICOS

A seguir, são apresentados os resultados dos ensaios de Resistência a Tração (RT),

Módulo de Resiliência (MR) e Vida de Fadiga, na respectiva ordem.

4.1.6.1 RESISTÊNCIA A TRAÇÃO

A execução dos ensaios seguiu os procedimentos do DNER-ME 138/94 sendo realizados

a temperatura de 25°C. Para este parâmetro foram moldados 12 corpos de prova, 3 de cada

traço. Os resultados médios dos ensaios de resistência à tração são apresentados na FIG. 4.11.

FIG. 4.11 RT dos traços avaliados.

Observou-se uma tendência de diminuição do valor de RT com um aumento do teor de

94

Resíduo. As três primeiras misturas mantiveram o mesmo ligante, porém variando o teor de

resíduo e o teor de asfalto (teor de projeto), somente o ultimo traço houve variação do tipo de

ligante.

Os valores de RT foram menores para os traços que contém o resíduo, porém esse

decréscimo foi de 5% comparando o T1 e T2, e 13% em relação T1 e T3.

Com relação aos traços com CAP polímero nota-se que o T1 comparado ao T2 houve

uma queda de 5% nos valores de RT, adicionando 25% de resíduo e adicionando 50% de

resíduo houve uma queda de 13% nos valores dos mesmos.

Variando o tipo de ligante, partindo para um ligante mais duro e mantendo 25% de

resíduo notou-se a persistência da queda dos valores de RT com adição do resíduo.

Embora tenha havido uma redução nos valores de RT, essa queda foi pequena e os

valores encontrados, mesmo com adição de grande porcentagem de resíduo, podem ser

considerados satisfatórios comparados a resultados de outras pesquisas que também

utilizaram outros resíduos em misturas asfálticas.

MAZUMDAR e RAO (1993) encontraram valores para RT entre 0,4 e 0,8 MPa, para

misturas de AAUQ confeccionadas com um ligante asfáltico de penetração igual a 80

(1/10mm) e ALDIGUERI (2001) concluiu que os valores de RT de misturas do tipo AAUQ

com CAP 30/45 oscilam entre 1,0 e 1,4 MPa, valores que o autor considera satisfatórios e

compatíveis também para o emprego da mistura em substituição do concreto asfáltico

convencional.

Os valores de resistência à tração (RT) de 1,39 e 1,34 foram encontrados no estudo de

ALDIGUERI & BERNUCCI (2002) com utilização do CAP 30/45 e 50/60 e entorno de 0,96

e 1,24 para CAP modificado por asfaltita, respectivamente.

OLIVEIRA et. al (2010), realizaram traços de AAUQ com RCD (Resíduo de construção

e demolição) com o CAP 50/70, o resultado encontrado para RT foi de 0,935. Já com CAP

50/70-SBS, modificado por polímero, a RT foi de 1,036.

Concluindo, KLINSKY (2013), encontrou RT de 0,40 MPa até 0,80 MPa, sendo que a

norma DNIT 031/2004-ES recomenda que as camadas de rolamento e de ligação (binder)

devem apresentar RT de no mínimo 0,65 MPa, sendo assim os traços T2 e T3, com adição do

resíduo, apresentam valores superiores a essa exigência.

95

4.1.6.2 MÓDULO DE RESILIÊNCIA

Os ensaios para a determinação do MR foram realizados com a moldagem de 8 corpos de

prova por traço, utilizando o ensaio de compressão diametral com cargas repetidas a uma

temperatura de 25ºC.

Os resultados dos ensaios de módulo de resiliência e seus respectivos parâmetros

estatísticos estão contidos na TAB.4.17. O MR médio foi tomado como a média aritmética de

todos os resultados obtidos nos ensaios, após a aplicação do Teste de Grubbs, o qual verifica a

existência de valores aberrantes dentro de um espaço amostral.

TAB. 4.17 Resultados do ensaio de MR para os traços.

Identificação dos

CP's

MR (MPa)

T1 (8,6 ± 0,3)

MR (MPa)

T2 (8,9 ± 0,3)

MR (MPa)

T3 (9,1 ± 0,3)

MR (MPa)

T4 (9,1 ± 0,3)

7

2218 1833 2126 2936

2124 1975 2002 3080

2164 1980 2019 2707

8

1107 1539 1295 2710

1004 1625 1277 2699

1034 1579 1285 2625

9

2185 2953 2615 3056

1823 2975 2612 3082

1868 2707 2517 2975

10

2154 1608 1288 3223

1963 1607 1278 3101

1932 1636 1295 3045

11

2151 1601 1974 3373

2162 1628 1933 3266

2108 1644 1888 3293

12

2815 1948 1613 3373

2545 2214 1777 3397

2414 2262 1628 3287

13

2109 1413 1862 3639

2241 1504 1784 3738

2231 1478 1898 3557

14

2318 1567 1360 3149

2209 1575 1308 3063

2209 1560 1323 3016

96

TAB. 4.18 Resultados do ensaio de MR para os traços.(Continuação)

Identificação MR (MPa)

T1 (8,6 ± 0,3)

MR (MPa)

T2 (8,9 ± 0,3)

MR (MPa)

T3 (9,1 ± 0,3)

MR (MPa)

T4 (9,1 ± 0,3)

MR Médio 2045 1850 1748 3141

Desvio Padrão 436,44 456,27 434,86 292,78

Coeficiente de

Variação 21,34% 24,66% 24,88% 9,32%

Intervalo de

Confiança 1861 a 2230 1658 a 2043 1565 a 1932 3018 a 3265

Como pode ser observado pela TAB. 4.17 foram feitas 3 determinações para cada corpo

de prova. No total, foram realizados 24 ensaios para cada traço e a média destes é apresentada

na FIG. 4.12.

FIG. 4.12 Resultados médios de MR para cada traço.

Pela análise do gráfico é possível verificar que os resultados de MR dos três primeiros

traços apresentaram valores médios decrescentes com o acréscimo da quantidade de resíduo

adicionado. Com exceção do T4 que embora tenha adição de 25% de resíduo, apresentou

valor de MR superior ao T1 composto somente por pó de pedra. Isto se deu pela variação do

ligante nos traços, que resultou em um aumento da rigidez.

Os ensaios de MR apresentaram uma maior variação nos valores médios nos traços com

maior quantidade de resíduo, exceção feita ao T4 onde ocorreu a menor dispersão, assim

como a maior média dos valores de MR. O traço 4 apresentou a menor dispersão nos

resultados, seguida dos traços 1, 2 e 3.

97

Os traços apresentaram valores compatíveis com outros já encontrados para misturas do

tipo AAUQ que variam em média de 2400 MPa a 3000 MPa (CAP 30/45) e 2050 MPa a

2200 MPa para um CAP modificado por asfaltita (ALDIGUERI & BERNUCCI, 2002). Outro

estudo envolvendo areia asfalto com agregado miúdo de RCD, fibra de açaí e com ligantes

asfálticos modificados por polímeros EVA ou SBS encontraram valores de MR entre 368

MPa a 1650 MPa (VALENÇA et al, 2011).

Era esperado que os valores de MR dos traços confeccionados com o ligante modificado

por polímero fossem superiores que os valores de MR com CAP convencional. Entretanto o

traço com ligante convencional apresentou os maiores valores de MR. A elevada rigidez desse

material pode ser atribuída à perda de voláteis e ao envelhecimento em curto prazo durante o

processo de confecção dos corpos de prova.

Com os valores de RT e MR pode-se estabelecer a relação MR/ RT que é apresentada na

TAB. 4. 18. Tal razão vem sendo usada como um indicador da vida de fadiga de misturas

asfálticas, uma vez que agrega informações de rigidez e resistência.

TAB. 4.19 Resultado dos ensaios de MR, RT e da relação MR/RT.

TRAÇO

MR

(MPa, 25°C)

RT

(MPa, 25°C) MR/RT

T1 2045 1,05 1948

T2 1850 1,00 1850

T3 1748 0,92 1900

T4 3141 0,85 3695

As relações MR/RT também apresentaram valores decrescentes com o aumento no teor

de resíduo, exceção para o traço T4 que apresentou uma relação superior as demais,

As misturas asfálticas com módulos de resiliência elevados, muito rígidos, necessitam de

valores elevados de resistência à tração, devido à concentração de esforços no seu interior.

É desejável um valor pequeno da razão, dado que com frequência busca-se baixa rigidez

para evitar elevada absorção de tensões que levem ao trincamento prematuro do revestimento,

e alta resistência à tração, uma vez que em geral uma maior resistência na ruptura é também

associada a uma maior resistência na fadiga. De forma geral, os valores da razão MR/RT

seguiram essa tendência, o valor de MR diminuiu com o valor de RT, levando a uma razão

98

pequena. Somente no ultimo caso, devido à alta rigidez do CAP, aconteceu o acréscimo da

relação MR/RT, visto que os valores de MR subiram e para RT o mesmo não ocorreu.

Tomando como base outros estudos, os valores encontrados podem ser considerados

compatíveis para misturas de AAUQ moldadas em laboratório, no qual resultaram em valores

próximos de 1751 a 2077 (BERNUCCI et al, 2008).

4.1.6.3 VIDA DE FADIGA

O comportamento à fadiga das misturas asfálticas foi caracterizado em laboratório a

partir de ensaios de compressão diametral sobre tensão controlada. O ensaio de fadiga foi

realizado com quatro níveis de tensão, sendo estes ajustados em 10%, 20%, 30% e 40% da

resistência à tração.

Neste ponto a vida de fadiga das misturas asfálticas é expressa em função da diferença

das tensões verticais (de compressão) e horizontais (de tração) no centro do corpo de prova.

Com os resultados foi possível traçar as curvas para as diferentes tensões (Δσ) x números de

ciclos à ruptura (N). Os mesmos são apresentados na FIG 4.13.

FIG. 4.13 Curva de Δσ x N.

Para este caso a vida de fadiga é expressa em função da deformação resiliente específica

de cada traço, através do MR. Com os resultados foi possível traçar as curvas de deformação

específica resiliente (εr) x número de ciclos à ruptura (N). Os mesmos são apresentados na

FIG 4.14.

99

FIG. 4.14 Curva de εr x N.

Os parâmetros de coeficientes de regressão e de correlação referentes às curvas de fadiga

são informados na TAB. 4.19.

TAB. 4.20 Parâmetros das curvas de vida de fadiga.

MISTURA Nf = a1 (∆σ)

b1 Nf = k1 (εr)

k2

a1 b1 R2 K1 K2 R

2

T1 1656,5 -3,384 0,9404 1E-10 -3,384 0,9404

T2 576,37 -2,245 0,9193 1E-06 -2,245 0,9193

T3 358,12 -2,252 0,9829 8E-07 -2,252 0,9829

T4 391,08 -1,668 0,9845 6E-05 -1,668 0,9845

Percebe-se que os traços com o uso do ligante modificado por polímero apresentaram

comportamentos semelhantes à fadiga e o traço com o ligante convencional se mostrou

diferente. Isto ocorreu pela proximidade dos valores de MR entre os traços T1, T2 e T3.

Entretanto, analisando somente os traços com resíduo, observou-se que T2 obteve uma

vida de fadiga maior que T3. Tal aumento foi relativamente pequeno, considerando que o T3

possui o maior percentual de resíduo.

100

Segundo SPECHT (2004) a análise direta das curvas de fadiga pode levar a conclusões

divergentes, visto que elas distribuem tensões de maneiras diferentes. Então uma avaliação

mais conclusiva, a partir de uma análise de uma estrutura de pavimento tratará de forma

combinada a rigidez das misturas, os modelos de fadiga e o nível de tensão-deformação

atuante na camada de revestimento.

4.2 DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO

Para critério de dimensionamento e para análise da melhor situação utilizando o resíduo

do beneficiamento do minério de ferro em camadas de pavimentos, foram considerados os

traços desta pesquisa, T1, T2, T3 e T4 para camada de revestimento. Para camada de base e

sub-base, foram utilizadas as composições da pesquisa de GALHARDO (2015), como

mencionado anteriormente. Foram avaliadas as seguintes definições:

o Fixou-se a espessura do revestimento em 5 cm e determinou-se a vida útil do

pavimento, alterando os traços em estudo para o revestimento, e considerou-se a

mistura de solo com resíduo de GALHARDO (2015).

Com o tráfego de N = 5,987x106 considerando a mistura de solo com resíduo e espessura

de 0,05m foram encontrados os seguintes resultados da TAB 4.20.

TAB. 4.21 Estimativa do dimensionamento pelo SisPav de um pavimento de 5,0cm.

TRAÇO

VIDA ÚTIL DE PROJETO (ANOS)

TRÁFEGO

(N = 5,987x106)

T1 21,3

T2 12,3

T3 10,5

T4 4,7

Considerado um tráfego médio objetivou-se mostrar a influencia do resíduo na vida útil

nas camadas de pavimentos. Diante disso, é notório que os traços T1, T2 e T3, com o CAP

polímero, apresentaram vida útil significativa para projetos de pavimentos, considerando que

o mínimo é de 10 anos, até mesmo com a elevação do teor do resíduo.

Cabe ressaltar que, de acordo com o (DNIT, 2006), para um tráfego de 5 x 106<N ≤ 10

7,

o revestimento que recomendado é um CBUQ com uma espessura de 7,5cm. Todavia, o traço

101

T3 de AAUQ, se mostrou adequado para este tráfego e com uma espessura menor que a

recomendada.

De acordo com o dimensionamento realizado para os traços, conclui-se que o uso do

resíduo em camadas de revestimento é aceitável, considerando uma vida útil mínima de 10

anos, para melhor escolha do traço deve-se proceder à análise econômica entre os traços T1 e

T3.

4.3 ANÁLISE DE CUSTO

Na FIG.4.15 está apresentada a ficha de composição de custo da exploração do resíduo,

ou seja, o custo de se retirar este material do local onde está depositado e levá-lo até uma

usina de asfalto.

DNIT - Sistema de Custos Rodoviários Construção Rodoviária SICRO2

Custo Unitário de Referência Mês : julho/2015 Minas Gerais RCTR0320

Escavação, Carga e Transporte do Rejeito em rodov. Pav. Produção da Equipe : 169,00 m³km (Valores em R$)

Operativa Improdutiva Operativa Improdutiva

E016 Carregadeira de Pneus - 1,33 m3 (79 kW) 1,00 0,11 0,89 122,26 22,42 33,40

E404 Caminhão Basculante - 10 m3 - 15 t (170 kW) 1,00 1,00 0,00 140,52 18,23 140,52

Custo Horário de Equipamentos: 173,92

B - Mão-de-Obra Quantidade Salário-Hora Custo Horário

T701 - Servente 1 9,79 9,79

Custo Horário da Mão-de-Obra: 9,79

Adc. M.O. - Ferramentas: 15,51% 1,52

Custo Horário de Execução: 185,23

Custo Unitário de Execução: 1,10

Custo Unitário Direto Total: 1,10

Lucro e Despesas Indiretas : 26,70% 0,29

Preço Unitário Total: 1,39

Observação: Custo do transporte

Areia m³ 83,67

Rejeito m³km 1,39

até 83,67 / 1,39 = 60 km

A - Equipamento QuantidadeUtilização Custo Opracional

Custo Horário

FIG. 4.15 Ficha de composição de custo do resíduo. (DNIT, 2015)

1° Cenário:

Para a definição da distância se fez um cálculo do valor do custo do resíduo e do valor da

areia comercial fornecido pelo DNIT (2015). Tais valores foram de R$ 1,39 m3km e R$ 83,67

m3, respectivamente. A partir disto, obteve-se uma distância de até 60 km para o emprego

deste resíduo.

2° Cenário:

Esta análise se refere à composição unitária dos serviços de usinagem e execução de

AAUQ, considerando os traços T1 e T3 estudados nesta pesquisa. O traço T1 tem em sua

composição 100% do agregado miúdo e o T3 possui 50% de agregado miúdo e 50% de

resíduo em sua composição. A FIG 4.16 apresenta o custo da usinagem de AAUQ para o T1.

102



1 A 01 391 52 - Usinagem de areia-asfalto AC - CAP 85/100 Produção da Equipe : 75,00 t (Valores em R$)


E010 - Carregadeira de Pneus - 3,3 m3 (147 kW) 1,00 0,31 0,69 216,45 22,42 82,57

E110 - Tanque de Estocagem de Asfalto - 30.000 l 2,00 1,00 - 17,89 - 35,78

E112 - Aquecedor de Fluido Térmico - (12 kW) 1,00 1,00 - 102,72 - 102,72

E147 - Usina de Asfalto a Quente - 90/120 t/h com filtro de manga 1,00 1,00 - 204,47 22,50 204,47

(188 kW)

E501 - Grupo Gerador - 36/40 KVA (32 kW) 1,00 1,00 - 21,47 - 21,47

E503 - Grupo Gerador - 164 / 180 KVA (144 kW) 1,00 1,00 - 89,44 - 89,44



T501 - Encarregado de turma 1,00 29,13 29,13

T701 - Servente 8,00 9,79 78,30





C - Material/Atividade Auxiliar Distância Quantidade Unidade Preço Unitário Custo Unitário

Óleo combustível 1A Traço 15,000 l 2,10 31,50

Cimento asfáltico CAP 85/100 8,60% 0,086 t 1.344,60 115,64

Areia Comercial 91,40% 0,635 m³ 83,67 53,11

Custo Total do Material: 200,24


Observação:

a) Os preços unitários dos agregados apresentados são entregues na Usina de asfalto.

c) Utilizou-se a Metodologia do Sistema de Custo Rodoviário do DNIT.


Custo Horário

b) O preço do CAP 85/100 contempla somente a aquisição do material e o preço é referente ao valor da Região Sudeste, conforme a pesquisa da Agência Nacional de Petróleo, Gás

Natural e Biocombustíveis.

FIG. 4.16 Ficha de composição de custo de AAUQ para o T1.

O custo da usinagem de AAUQ para o T3 está representado na FIG. 4.17.



1 A 01 391 52 - Usinagem de areia-asfalto AC e Resíduo - CAP 85/100 Produção da Equipe : 75,00 t (Valores em R$)






(188 kW)






T701 - Servente 8,00 9,79 78,30







Cimento asfáltico CAP 85/100 9,10% - 0,091 t 1.344,60 122,36

Areia 45,45% - 0,316 m³ 83,67 26,41

Rejeito 45,45% - 0,288 m³km 1,39 -



Observação:



d) Densidades ton/m³: Areia = 1,440 / Rejeito = 1,580




Custo Horário

FIG. 4.17 Ficha de composição de custo de AAUQ para T3.

103

O custo total do T1 é de R$ 209,05, o custo total do T3 com o resíduo, é de R$ 189,07

sem considerar o transporte. A diferença entre eles é de R$ 19,78, logo com este valor é

possível determinar uma distância na qual a instalação da usina de asfalto é favorável,

garantindo que as duas composições tenham o mesmo valor.

Para o cálculo deste custo, tem-se a seguinte equação 4.1.

(4.1),

Então, a distância máxima entre o depósito de resíduo e a usina de asfalto é determinada pela

equação 4.2.

(4.2),

Onde:

CR: Custo do resíduo no traço (R$);

Q: Quantidade do material (m³);

P: Preço unitário (R$/m³/km);

d: Distância (km)

Após esse cálculo, pode-se verificar que a distância máxima para a instalação da usina

de asfalto é de 50 km. Com a distância definida, executou-se o cálculo da composição da

mistura que é apresentada na FIG 4.18.



1 A 01 391 52 - Usinagem de areia-asfalto AC e Resíduo - CAP 85/100 Produção da Equipe : 75,00 t (Valores em R$)






(188 kW)






T701 - Servente 8,00 9,79 78,30







Cimento asfáltico CAP 85/100 9,10% - 0,091 t 1.344,60 122,36

Areia 45,45% - 0,316 m³ 83,67 26,41

Rejeito 45,45% 50,00 0,288 m³km 1,39 19,97



Observação:



d) Densidades ton/m³: Areia = 1,440 / Rejeito = 1,580




Custo Horário

FIG. 4.18 Ficha de composição de custo de AAUQ para T3 com 50 km.

104

Verificou-se que os custos totais para os dois traços foram de R$ 209,05, ou seja, o a

instalação da usina de asfalto pode ser considerado até a distância de 50 km, pois o valor do

da usinagem de AAUQ com resíduo se igualou ao valor da AAUQ com a areia comercial.

Considerando o emprego deste traço de AAUQ, têm-se a cidade de Mariana que está a

25 km da barragem de Germano. Também tem a possiblidade de utilizá-lo na BR-040 que

possui as características de tráfego estudadas, e que está aproximadamente a 60 km da

barragem.

105

5 CONCLUSÕES

A presente pesquisa objetivou avaliar o uso do resíduo do beneficiamento do minério de

ferro em misturas asfálticas do tipo AAUQ.

Após a revisão bibliográfica dos conceitos envolvidos na pesquisa foi montado, com base

nos recursos disponíveis um programa experimental, neste optou pela utilização da

metodologia Marshall, por ser atualmente prevista em norma pelo DNIT, para verificar a

possibilidade de substituição do agregado miúdo, no caso o pó de pedra, pelo resíduo em

questão.

A partir dos resultados mecânicos e do dimensionamento, conclui-se que para um tráfego

médio o uso do resíduo é viável e trás resultados satisfatórios, pois indicou no T3 uma vida

útil compatível com a desejada e uma vantagem econômica na construção do pavimento. Este

fato contribui para utilização do resíduo do beneficiamento do minério ferro como integrante

da camada do revestimento em projetos futuros.

Deste modo, as seguintes observações foram apontadas:

Quanto às características granulométricas o resíduo do beneficiamento do minério

de ferro se caracterizou como agregado miúdo, caracterizando-se com uma areia

fina, no qual a sua substituição ao agregado convencional foi satisfatória;

Quanto ao cimento asfáltico modificado pelo polímero EVA e o cimento asfáltico

convencional o acréscimo de um melhorador de adesividade foi favorável e

proporcionou uma melhor coesão dos agregados ao ligante.

Para o melhor enquadramento na Faixa C do DNER-ES 387 (1999) e na Faixa B

do DNIT-ES 032 (2005) foi necessário um peneiramento do pó de pedra, para que

quando fosse adicionado o resíduo, não elevasse a porcentagem de finos.

Após a confecção dos corpos-de-prova, da aplicação dos diversos ensaios propostos pela

metodologia Marshall, realça as seguintes ponderações:

106

Os traços estudados atenderam aos critérios estabelecidos pelo DNIT, para os

parâmetros Vv e RBV e, além disso, pode-se observar que com a utilização do

resíduo como agregado miúdo, os teores de CAP se mantiveram semelhantes.

Quanto à estabilidade, pode-se verificar o para os traços T1, T2 e T3, estes com

CAP-polímero, que os valores se mantiveram semelhantes. No T4, com o CAP

convencional, a estabilidade reduziu, sendo a menor de todos os traços, porém

ainda muito superior ao limite estabelecido pelo DNIT. Com o intuito de utilizar

uma maior quantidade de resíduo, o T3 com 50% apresentou características

favoráveis para ser empregado em pavimentação.

Para o ensaio de Resistência à Tração, pode-se observar que para T2 o valor foi de

1 MPa e para T3, foi de 0,92 MPa. Já para o T4 o valor foi de 0,85 MPa, sendo

menor em relação aos traços que utilizaram o CAP-polímero. Embora tenha

havido uma redução entre T2 e T3, essa queda foi considerada pequena, tais

resultados podem ser considerados satisfatórios quando comparados a matriz, T1,

que teve o valor de 1,05 MPa, e a resultados de outras pesquisas que também

utilizaram resíduos em misturas asfálticas.

Quanto ao ensaio de Módulo de Resiliência, os valores encontrados foram de

1850 MPa para T2 e 1748 MPa para T3, se configurando semelhantes. Para T4, o

valor do MR foi de 3141 MPa sendo o mais elevado, o que resulta em uma

diminuição da deformação permanente. No entanto, os valores obtidos são

considerados satisfatórios e semelhantes a outros estudos de misturas asfálticas do

tipo areia-asfalto.

Sendo assim, pode-se dizer que o traço T2 e T3, tiveram um comportamento

melhor, pois a razão MR/RT apresentou valores menores. Tal razão busca valores

pequenos, para que se tenha uma baixa rigidez, evitando assim trincamentos

prematuros no pavimento, e uma alta resistência à tração que resulta em uma

maior vida de fadiga.

A variação do teor de resíduo de T2 e T3, 25% e 50%, pouco influenciou nos resultados

de MR, RT e na vida útil de projeto no caso do dimensionamento do pavimento, sendo assim,

atendendo ao objetivo do estudo, é satisfatório o uso da maior quantidade do resíduo,

Isso nos leva a conclusão que embora os traços contendo resíduo não tenham o melhor

comportamento mecânico, também não muito inferior à mistura sem resíduo, têm a vantagem

107

econômica na construção do pavimento, dada a facilidade e o custo em relação à outros

agregados, e ainda assim as simulações indicaram vida útil compatível com a desejada. Este

fato contribui para ratificação da possibilidade de utilização do resíduo do beneficiamento do

minério ferro como integrante da camada do revestimento em projetos futuros.

5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

No presente estudo foram percebidos alguns pontos no qual a empregabilidade do resíduo

em misturas asfálticas, do tipo areia-asfalto, ainda pode ser estendida. Tais sugestões seguem

abaixo:

1 – Estudar o comportamento de outros teores de resíduo adicionados nos traços com

outros ligantes, a fim de se obter o melhor traço e o melhor CAP para este tipo de mistura

asfáltica;

2 – Aplicar a metodologia Superpave para garantir melhores resultados,

3 – Realizar a análise mecanística-empírica nos resultados obtidos para outros níveis de

tráfego, considerando a resposta positiva com os casos analisados.

4 – Construir trechos experimentais para que seja possível a observação do desempenho

deste material na prática, possibilitando a ratificação ou retificação dos resultados obtidos

nesta pesquisa.

5 – Realizar outros ensaios para análise de fluência, verificando a questão da deformação

permanente em misturas asfálticas do tipo areia-asfalto.

108

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