MINISTÉRIO DA DEFESA
EXÉRCITO BRASILEIRO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE TRANSPORTES
GRAZIELLA PEREIRA PIRES DOS SANTOS
UM ESTUDO SOBRE A UTILIZAÇÃO DA ESCÓRIA DE
FERRONÍQUEL EM PAVIMENTO RODOVIÁRIO
Rio de Janeiro
2013
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
GRAZIELLA PEREIRA PIRES DOS SANTOS
UM ESTUDO SOBRE A UTILIZAÇÃO DA ESCÓRIA DE
FERRONÍQUEL EM PAVIMENTO RODOVIÁRIO
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.
Orientadores:
Prof. Antonio Carlos Rodrigues Guimarães – D.Sc.
Prof. Luiz Antonio Vieira Carneiro – D.Sc.
Prof. Julio Cesar Soares de Oliveira – M.Sc.
Rio de Janeiro
2013
1
c 2013
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
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
S237e
Santos, Graziella Pereira Pires dos
Um Estudo Sobre a Utilização da Escória de Ferroníquel em
Pavimentação Rodoviária / Graziella Pereira Pires dos Santos; orientado
por Antonio Carlos Rodrigues Guimarães, Luíz Antonio Vieira Carneiro
e Julio Cesar Soares de Oliveira. – Rio de Janeiro: Instituto Militar de
Engenharia, 2013.
124 p.: il.
Dissertação (mestrado). – Instituto Militar de Engenharia. – Rio de
Janeiro, 2013.
1. Engenharia de Transportes – teses, dissertações. I. Guimarães,
Antonio Carlos Rodrigues. II. Carneiro, Luiz Antonio Vieira. III.
Oliveira, Julio Soares. IV. Título. V. Instituto Militar de Engenharia.
CDD 629.04
2
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
GRAZIELLA PEREIRA PIRES DOS SANTOS
UM ESTUDO SOBRE A UTILIZAÇÃO DA ESCÓRIA DE
FERRONÍQUEL EM PAVIMENTO RODOVIÁRIO
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.
Orientadores: Prof. Antonio Carlos Rodrigues Guimarães - D.Sc.
Prof. Luiz Antonio Vieira Carneiro - D.Sc.
Prof. Julio Cesar Soares de Oliveira – M.Sc
Aprovada em 02 de Agosto de 2013 pela seguinte Banca Examinadora:
Major Antonio Carlos Rodrigues Guimarães - D.Sc. do IME– Presidente
Tenente Coronel Luiz Antonio Vieira Carneiro – D.Sc. do IME
Major Ben-Hur de Albuquerque e Silva – D.Sc. do IME
Prof. Geraldo Luciano de Oliveira Marques – D.Sc. da UFJF
Prof.ª Leni Figueiredo Mathias Leite – D.Sc. da PETROBRAS
Tenente Coronel Julio Cesar Soares de Oliveira – M.Sc. do IME
Rio de Janeiro
2013
3
Dedico este trabalho a Deus, sem quem nada posso
fazer, e à minha amada família que proporcionou
minha formação moral e acadêmica.
4
AGRADECIMENTOS
A Deus, por sempre me iluminar, proteger e me guiar na sabedoria, dar coragem, força,
disposição para concluir este trabalho.
A minha mãe, por apoio e compreensão ser minha inspiração para ter garra e lutar pelos
meus objetivos.
As minhas irmãs, Ana Carolina e Gabriella, sempre pela amizade e carinho.
Aos meus cunhados Warley e Alexandre pelo apoio.
A minha linda sobrinha Manuela, que trouxe muita felicidade com a sua chegada no ano
passado.
Aos meus tios, Rosário e Marcos, pelo apoio e amizade.
A minha amiga irmã Bárbara sempre pela amizade, apoio, conselhos e sempre presente.
A minha amiga Ana Carolina a qual pude contar com seu apoio, conselhos, amizade e
carinho durante todos os dias desde que ingressei no mestrado e se tornou da minha família.
A minha amiga Adriana, pelo coração nobre sempre com disposição em ajudar, pelo
apoio e amizade.
Às minhas amigas Clau e Kíssyla que conheci no mestrado, pelo apoio, carinho e
amizade.
Ao Major Guimarães, pelo apoio, amizade, o qual se empenhou como orientador e se
tornou parte da minha família nesta fase.
Ao Tenente Coronel Carneiro, pelo apoio, capacidade, amizade e que foi de grande
suporte para esta pesquisa.
Ao Tenente Coronel Julio, pelo apoio, incentivo, amizade, força, conversas de motivação,
o qual se tornou muito querido.
Ao amigo Capitão Henry Córdova pelo apoio acadêmico, carinho e amizade.
Aos meus amigos da turma de mestrado 2011, alegres, companheiros e prestativos.
Aos meus orientadores, pela orientação e constante incentivo, por todas as ideias e
apoios, pelo companheirismo e amizade, pelas sugestões, esclarecimentos e comentários
sempre pertinentes e fundamentais para o andamento, disponibilidade, atenção e paciência
para a conclusão desta dissertação.
A professora da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Laura Motta e funcionários do
laboratório, pelo apoio e parceria e ter permitido que parte desta pesquisa fosse realizada no
laboratório da COPPE/UFRJ.
5
As empresas Anglo American e SENAI/GO, pelo apoio e patrocínio à pesquisa deste
trabalho e bolsa de pesquisa, pelos esclarecimentos e informações que muito contribuíram
para a realização deste.
Aos técnicos de laboratório Claudeny, Jorge, Batista e Joel pela compreensão, ajuda e
boa vontade que foi de importância fundamental para que o estudo deste trabalho pudesse ser
realizado.
A minha professora da graduação, Marluce, a qual foi a maior incentivadora para que eu
pudesse cursar o mestrado.
A CAPES, pelo apoio financeiro fundamental para a realização desta pesquisa.
Ao Instituto Militar de Engenharia, pela oportunidade estudar em uma instituição de
excelência, com professores altamente gabaritados capazes de formar e preparar alunos com
potencial de competir no mercado de trabalho.
Aos membros da banca pela gentileza em aceitar o convite para examinar este trabalho.
6
“Determinação, coragem e autoconfiança são
fatores decisivos para o sucesso. Se estamos possuídos por uma
inabalável determinação conseguiremos superá-los. Independentemente das
circunstâncias, devemos sempre ser humildes, recatados e despidos de orgulho.”
Dalai Lama.
7
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ................................................................................................... 10
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................ 13
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ...................................................................... 16
1
INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 20
1.1
Considerações Iniciais .................................................................................................. 20
1.2
Objetivo ........................................................................................................................ 21
1.2.1 Objetivo Geral .............................................................................................................. 21
1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................................... 21
1.3
Justificativa e Relevância ............................................................................................. 22
1.4
Estrutura ....................................................................................................................... 22
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 23
2.1
Pavimento ..................................................................................................................... 23
2.2
Escórias ........................................................................................................................ 25
2.2.1 Escória de Aciaria ........................................................................................................ 27
2.2.2 Escória de Ferroníquel ................................................................................................. 38
2.3
Caracterização do Agregado ........................................................................................ 46
2.3.1 Por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ....................................................... 46
2.3.2 Por Difração de Raio-X ................................................................................................ 48
2.3.3 Por Microscopia Óptica ................................................................................................ 49
2.3.4 Por AIMS (Aggregate Imaging System)....................................................................... 50
3
MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................... 53
3.1
Materiais ....................................................................................................................... 53
3.1.1 Escória de Ferroníquel ................................................................................................. 53
3.1.2 Agregados Pétreos ........................................................................................................ 59
8
3.1.3 Ligantes Asfálticos ....................................................................................................... 59
3.2
Programa Experimental ................................................................................................ 60
3.2.1 Esquema dos Ensaios ................................................................................................... 61
3.2.2 Descrição da Metodologia para Ensaios de Caracterização da Escória e Solos. ......... 63
3.2.3 Quantitativos dos Ensaios Realizados .......................................................................... 67
4
RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................. 70
4.1
Características Químicas da Escória de Ferroníquel .................................................... 70
4.1.1 Por Microscopia Eletrônica de Varredura .................................................................... 70
4.1.2 Análise por Difração de Raio-X ................................................................................... 76
4.1.3 Por Microscopia Óptica ................................................................................................ 79
4.1.4 Por AIMS
4.2
................................................................................................................ 80
Características Físicas dos Materiais Utilizados .......................................................... 88
4.2.1 Dos Agregados ............................................................................................................. 88
4.2.2 Dos Ligantes ................................................................................................................ 93
4.3
Misturas Asfálticas com Escória de Ferroníquel.......................................................... 93
4.3.1 Traço 1 – Areia Asfalto Usinado a Quente (A.A.U.Q.) ............................................... 93
4.3.2 Traço 2 – Areia Asfalto Usinado a Quente (A.A.U.Q.) ............................................... 97
4.3.3 Traço 3 – Concreto Asfáltico Usinado a Quente (C.A.U.Q.) ....................................... 99
4.3.4 Resultados da Avaliação Mecânica - Traços 1, 2 e 3 ................................................. 101
4.3.5 Granulometria............................................................................................................. 105
4.4
Ensaios Solo e Escória Ferroníquel ............................................................................ 109
4.4.1 Ensaio de Expansão .................................................................................................... 109
4.4.2 Módulo de Resiliência ................................................................................................ 110
5
CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.................. 112
6
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 116
9
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 2.1
Estrutura de um pavimento. ................................................................................... 23
FIG. 2.2
Tecnologia da produção do aço. ............................................................................ 25
FIG. 2.3
Oxigênio insuflado no conversor da aciaria. ......................................................... 27
FIG. 2.4
Expansão causada pela escória de aciaria utilizada no pavimento. ....................... 32
FIG. 2.5
Defeitos em pavimentos causados pela expansibilidade das escórias de aciaria. .. 32
FIG. 2.6
Módulos de resiliência da EGC e de materiais granulares convencionais. ........... 35
FIG. 2.7
Valores de Módulo de Resiliência (MR) para as misturas M1, M2 e M3. ............ 36
FIG. 2.8
Corpos de prova submetidos à temperatura entre 600°C a 1000°C....................... 39
FIG. 2.9
Rotas de processamento para obtenção do níquel. ................................................ 41
FIG. 2.10 Mina de extração do minério de ferroníquel. ......................................................... 42
FIG. 2.11 Processo de produção do ferroníquel das Plantas de Barro Alto e Codemin. ....... 43
FIG. 2.12 Depósito de laterítas de níquel mundial. ................................................................ 44
FIG. 2.13 Micrografias das partículas da escória de níquel de redução feitas por MEV.
Esquerda: Vista com aumento de 20X. Direita: Vista com aumento de 100X. .... 47
FIG. 2.14 Ilustração do efeito de erosão e dilatação na amostra. ........................................... 51
FIG. 2.15 Sistema de imagem do agregado (AIMS). ............................................................. 52
FIG. 3.1
Amostra da escória de ferroníquel de Barro Alto estudada com forma similar à
areia. ...................................................................................................................... 54
FIG. 3.2
Depósito da escória de ferroníquel na Planta de Barro Alto / GO. ........................ 54
FIG. 3.3
Comparativo da geração da escória de ferroníquel com a quantidade vendida. .... 55
FIG. 3.4
Processo de produção do ferroníquel realizado na Planta de Barro Alto. ............. 56
FIG. 3.5
Croqui de localização da produção da escória de ferroníquel de Refino e Redução
nas unidades de Barro Alto e Codemin. ................................................................ 56
FIG. 3.6
Croqui da vista de cima da pilha (1A). Corte das pilhas dos resíduos (1B). ......... 58
FIG. 3.7
(a) (b) Mistura do CAP com a escória de ferroníquel. (c) Compactação do cp no
soquete Marshall. (d) Cp compactado. .................................................................. 61
FIG. 3.8
Escória de ferroníquel pulverizada submetida ao ensaio de Difração Raio-X. ..... 64
FIG. 3.9
Disposição do agregado na bandeja para o ensaio no equipamento AIMS do
CENPES / Petrobras. ............................................................................................. 65
10
FIG. 3.10
(a) Solo utilizado por CÓRDOVA (2011). (b) Solo + escória de ferroníquel. (c)
(d) Homogeneização da mistura solo + escória para realização do ensaio de
expansão. ............................................................................................................... 66
FIG. 3.11 (a) Preparação da mistura solo (50%) e escória ferroníquel (50%). (b) Solo e
escória ferroníquel. ................................................................................................ 67
FIG. 4.1
Micrografia (MEV) da fração fina da escória "em pó" - Amostra 1 ..................... 71
FIG. 4.2
Espectro de EDS da escória de ferroníquel - Amostra 1 ....................................... 71
FIG. 4.3
Relatório quantitativo do EDS da escória de ferroníquel - Amostra 1 .................. 72
FIG. 4.4
Micrografia (MEV) do grão da escória - Amostra 2 ............................................. 73
FIG. 4.5
Micrografia (MEV) do grão da escória - Amostra 2 ............................................. 73
FIG. 4.6
Espectro de EDS da escória de ferroníquel - Amostra 2 ....................................... 74
FIG. 4.7
Relatório quantitativo do EDS da escória de ferroníquel - Amostra 2 .................. 74
FIG. 4.8
Micrografia (MEV) do grão "esférico" da escória - Amostra 3............................. 75
FIG. 4.9
Espectro de EDS da escória de ferroníquel - Amostra 3 ....................................... 75
FIG. 4.10 Relatório quantitativo do EDS da escória de ferroníquel – Amostra 3 ................. 76
FIG. 4.11 Difratograma da amostra de escória de ferroníquel. .............................................. 77
FIG. 4.12 Agregado granular de Faialita. ............................................................................... 79
FIG. 4.13 Amostras de escória de ferroníquel submetidas ao ensaio de Microscopia Óptica
com aumento de 40 vezes. ..................................................................................... 80
FIG. 4.14 Distribuição cumulativa de partículas de agregados miúdos da escória de
ferroníquel quanto ao índice de forma. ................................................................. 82
FIG. 4.15 Angularidade para agregado graúdo e miúdo de escória ferroníquel. ................... 83
FIG. 4.16 Distribuição acumulativa de partículas do agregado miúdos quanto à esfericidade.
.................................................................................................................................................. 85
FIG. 4.17 Textura para agregados graúdos. ........................................................................... 86
FIG. 4.18 Imagem do agregado escória de ferroníquel gerada pelo AIMS. .......................... 87
FIG. 4.19 Imagem do agregado escória de ferroníquel gerada pelo AIMS. .......................... 87
FIG. 4.20 Imagem do agregado escória de ferroníquel gerada pelo AIMS. .......................... 87
FIG. 4.21 Execução do ensaio de granulometria com a escória de ferroníquel. .................... 88
FIG. 4.22 Distribuição granulométrica da escória de ferroníquel. ......................................... 89
FIG. 4.23 Avaliação dos ligantes. (a) Ligante sendo ensaiado. (b) CAP 30/45 (c) CAP 50/70
e asfalto modificado por TLA. (d) CAP 50/70 + Dope. ........................................ 90
11
FIG. 4.24 Compactação da Marshall da mistura tipo A.A.U.Q. (a) agregado escória de
ferroníquel sendo retirado da estufa. (b) Temperatura da escória de ferroníquel
sendo verificada para ser misturada ao ligante. (c) e (d) CAP 50 / 70 sendo
misturado à escória de ferroníquel (e) compactação do corpo-de-prova. (f) corposde-prova Marshall com variados teores de ligante. ............................................... 95
FIG. 4.25 Curva granulométrica do agregado de escória de ferroníquel na faixa A de
A.A.U.Q. – Traço 1 ............................................................................................... 96
FIG. 4.26 Ensaio de estabilidade Marshall com corpo-de-prova da mistura do tipo A.A.U.Q.
.................................................................................................................................................. 97
FIG. 4.27 Curva granulométrica do agregado de escória de ferroníquel na faixa A de
A.A.U.Q. – Traço 2. .............................................................................................. 98
FIG. 4.28 Curva granulométrica do agregado de escória de ferroníquel na faixa C de
C.A.U.Q. – Traço 3 ............................................................................................. 100
FIG. 4.29 Passos para condicionamento do corpo-de-prova no ensaio de perda por umidade
induzida. (a) aplicação da pressão para saturação dos vazios com água. ............ 102
FIG. 4.30 Valores de Módulo Resiliente dos Traços 1, 2 e 3 das misturas asfálticas com
escória de ferroníquel. ......................................................................................... 103
FIG. 4.31 Agregados de Calcário nas frações: Brita 1, Brita 0 e Pó Pedrisco. .................... 105
FIG. 4.32 Curva da mistura de agregados do Traço 4 na faixa C de C.A.U.Q. ................... 106
FIG. 4.33 Variação do Módulo Resiliente com a Tensão Desvio. ....................................... 110
12
LISTA DE TABELAS
TAB. 2.1 Características das espécies químicas isoladas antes e após hidratação. .............. 30
TAB. 3.1
Caracterização da escória bruta ferroníquel de redução, lixiviação e solubilização.
.................................................................................................................................................. 57
TAB. 3.2 Análise de espectograma para a escória ferroníquel de redução. .......................... 57
TAB. 3.3 Relação dos ensaios realizados nos agregados e respectivas normas adotadas. ... 62
TAB. 3.4 Ensaios realizados com os ligantes e misturas asfálticas e respectivas normas
adotadas. ................................................................................................................ 62
TAB. 3.5 Ensaios realizados com a mistura solo e escória. .................................................. 62
TAB. 3.6 Quantitativos dos ensaios realizados com os agregados e respectivos locais de
ensaio. .................................................................................................................... 68
TAB. 3.7 Quantitativos dos ensaios realizados com os ligantes e respectivos locais de ensaio.
............................................................................................................................... 68
TAB. 3.8 Quantitativos dos ensaios realizados com as misturas asfálticas e respectivos locais
de ensaio. ............................................................................................................... 68
TAB. 3.9 Quantitativos dos ensaios realizados com mistura solo e escória ferroníquel e
respectivos locais de ensaio. .................................................................................. 68
TAB. 3.10 Quantitativos dos ensaios realizados com agregados do Trecho Experimental e
respectivos locais de ensaio. .................................................................................. 69
TAB. 3.11 Quantitativos dos ensaios realizados com o CAP 50/70 do Trecho Experimental e
respectivos locais de ensaio................................................................................... 69
TAB. 3.12 Quantitativos dos ensaios realizados com corpos-de-prova do Trecho Experimental
e respectivos locais de ensaio. ............................................................................... 69
TAB. 4.1 Características da Faialita...................................................................................... 78
TAB. 4.2 Valores relativos da escala de Mohs. .................................................................... 78
TAB. 4.3 Parâmetros estatísticos dos agregados miúdos quanto ao índice de forma. .......... 82
TAB. 4.4 Parâmetros estatísticos dos agregados miúdos quanto à angularidade. ................ 84
TAB. 4.5 Parâmetros estatísticos dos agregados miúdos quanto à esfericidade. .................. 85
TAB. 4.6 Parâmetros estatísticos dos agregados graúdos quanto a textura. ......................... 86
TAB. 4.7 Ensaio de granulometria da escória de ferroníquel. .............................................. 88
TAB. 4.8 Relação das densidades da amostra de escória ferroníquel. .................................. 90
13
TAB. 4.9 Ensaio de granulometria da brita 1. ....................................................................... 91
TAB. 4.10 Resultados de ensaio de caracterização da brita 1. ................................................ 91
TAB. 4.11 Ensaio de granulometria do pedrisco. ................................................................... 92
TAB. 4.12 Relação das densidades do pedrisco...................................................................... 93
TAB. 4.13 Ensaios de controle do Cimento Asfáltico de Petróleo – CAP 50/70 REDUC..... 93
TAB. 4.14 Composição do traço 1 de A.A.U.Q...................................................................... 95
TAB. 4.15 Volumetria do traço elaborado com teor de 6% de ligante – Traço 1. .................. 96
TAB. 4.16 Composição do traço 2 de A.A.U.Q...................................................................... 97
TAB. 4.17 Volumetria do traço elaborado com teor de 6,7% de ligante – Traço 2. ............... 99
TAB. 4.18 Composição do traço 3 de C.A.U.Q. ..................................................................... 99
TAB. 4.19 Volumetria do traço elaborado com teores de 5,3% - Traço 3. ........................... 101
TAB. 4.20 Resultados dos ensaios de dano por umidade induzida e não induzida com os
traços 1, 2 e 3 com escória de ferroníquel. .......................................................... 102
TAB. 4.21 Resultados dos ensaios de MR e RT nas misturas asfálticas dos traços 1, 2 e 3
com escória de ferroníquel. ................................................................................. 103
TAB. 4.22 Granulometria dos agregados Traço 4. ............................................................... 106
TAB. 4.23 Traço 4 da Mistura Asfáltica. .............................................................................. 107
TAB. 4.24 Características físicas e mecânicas dos agregados do Traço 4............................ 107
TAB. 4.25 Ensaios de controle do Cimento Asfáltico de Petróleo – CAP 50/70 – Traço 4. 108
TAB. 4.26 Volumetria do Traço 4 elaborado com teor de 4,3%. ......................................... 108
TAB. 4.27 Dados do ensaio de Expansão com escória de ferroníquel 79% e solo 21%. ..... 109
TAB. 4.28 Dados de Expansão pelo ensaio de CBR. ........................................................... 110
14
LISTA DE EQUAÇÕES
EQ.1 Esfericidade............................................................................................................83
EQ.2 Indice de Forma......................................................................................................83
EQ.3 Indice de Angularidade...........................................................................................85
EQ.4 Indice de Textura....................................................................................................87
15
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ABREVIATURAS
AAUQ
-
Areia Asfalto Usinado a Quente
ABNT
-
Associação Brasileira de Normas Técnicas
AIMS
-
Aggregate Imaging System
ASTM
-
American Society for Testing and Materials
BNDES
-
Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social
BTX
-
Benzeno, Tolueno, Xileno
CAUQ
-
Concreto Asfáltico Usinado a Quente
CAP
-
Cimento Asfáltico de Petróleo
CENPES
-
Centro de Pesquisas Leopoldo Américo Miguez de Mello
CRT
-
Concessionária Rio Teresópolis
CBR
-
California Bearing Ratio
COPPE
-
Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de
Engenharia
COSIPA
-
Companhia Siderúrgica Paulista
CST
-
Companhia Siderúrgica de Tubarão
DERSA
-
Desenvolvimento Rodoviário AS
DNER
-
Departamento Nacional de Estradas de Rodagens
DNPM
-
Departamento Nacional de Produção Mineral
DNIT
-
Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes
ECG
-
Elétrico Granulometricamente Corrigida
EDS
-
Energy Dispersive Spectrometry
EDX
-
Energy Dispersive X-ray
EOHSI
-
Environmental e Occupational Health Sciences Institute
ES
-
Espírito Santo
EUA
-
Estados Unidos da América
IBRAM
-
Instituto Brasileiro de Mineração
IBS
-
Instituto Brasileiro de Siderurgia
IDEA
-
Innovations Deserving Exploratory Analysis Programs
16
IME
-
Instituto Militar de Engenharia
ISC
-
Indice Suporte Califórnia
JIS
-
Japonese Industrial Standards
LD
-
Linz-Donawitz
MEV
-
Microscopia Eletrônica de Varredura
MG
-
Minas Gerais
MR
-
Módulo Resiliente
NBR
-
Norma Brasileira
NJDHSS
-
New Jersey Department of Helth and Senior Services
PTM
-
Pennsylvania Testing Method
REDUC
-
Refinaria Duque de Caxias
RJ
-
Rio de Janeiro
RKEF
-
Rotary Electric Furnac
RT
-
Resistência à Tração
SP
-
São Paulo
TLA
-
Trinidad Lake Asphalt
UFRJ
-
Universidade Federal do Rio de Janeiro
USGS
-
United States Geological Survey
i
-
Ponto na borda da Partícula
rC
-
Raios Curtos
rI
-
Raios Intermediários
rL
-
Raios Longos
Ɵ
-
Ângulo Direcional
∆
-
Diferença
R
-
Raio em Diferentes Direções
N
-
Número Total de Pontos na Borda da Partícula
n
-
Nível que a Imagem foi Decomposta
N
-
Número de Coeficientes na Imagem detalhada de Textura
i
-
Direções de Textura
j
-
Indice do Coeficiente Wavelet
SÍMBOLOS
17
RESUMO
Este trabalho aborda a caracterização de misturas asfálticas e mistura solo com escória
ferroníquel como agregado alternativo. A escória de ferroníquel, proveniente da Mineradora
Anglo American/GO, foi caracterizada quimicamente através dos ensaios de Microscopia
Eletrônica por Varredura (MEV) completada pela análise de Energia Dispersiva de Raio-X
(EDS), Microscopia Óptica e Difração de Raio-X e também ensaios físicos utilizados na
caracterização de agregados na pavimentação, incluindo o ensaio de AIMS (Aggregate
Imaging System). Os ensaios ambientais de Lixiviação e Solubilização foram previamente
realizados por uma empresa terceirizada, o qual concluiu tratar-se de um material inerte.
Foram realizadas dosagens de misturas asfálticas tipo A.A.U.Q e C.A.U.Q com a utilização
da escória de ferroníquel como agregado miúdo, além de brita 1, brita 0, pó pedrisco e
cimento com o uso de CAP 50/70 modificado por agente melhorador de adesividade (DOPE).
As misturas asfálticas foram dosadas utilizando a metodologia Marshall. Estas misturas foram
caracterizadas mecanicamente através dos ensaios de resistência à tração estática por
compressão diametral, dano por umidade induzida e módulo de resiliência por compressão
diametral. Apresentam-se resultados de caracterização das camadas de um pavimento
existente no qual foi realizado um trecho experimental com mistura asfáltica contendo escória
de ferroníquel. Foram realizados ensaios para medida de expansão pelo método do CBR,
ensaios de compactação Proctor e Granulometria. Mostra-se também valor de módulo
Resiliente de uma mistura de solo laterítico e escória de ferroníquel para camada de base. Os
resultados obtidos para a mistura asfáltica tipo A.A.U.Q com escória de ferroníquel não foram
satisfatórios para este tipo de mistura, apresentando estabilidade nula e valores de módulo
resiliente muito baixos. A mistura tipo C.A.U.Q obteve bons resultados de estabilidade,
resistência à tração por compressão diametral e módulo resiliência, compatível com misturas
similares disponibilizadas na literatura. A mistura solo e escória de ferroníquel gerou
excelentes resultados, com expansão nula e valor de módulo resiliente até 600 MPa. Concluise que a escória de ferroníquel é de uso favorável em concretos asfálticos como substituto da
areia, e que os demais requisitos ambientais são satisfatórios para o emprego em obras
geotécnicas, sendo uma opção viável do ponto de vista econômico e ambiental.
18
ABSTRACT
This work deals with the characterization of asphalt mixtures and mixing soil with iron
nickel slag as an alternative aggregate. The iron nickel slag, from the mining company Anglo
American/GO, was chemically characterized through tests of Electron Microscopy
complemented by Energy Dispersive X-ray analysis, optical microscopy, X-ray Diffraction
and also physical tests used to characterize aggregates in paving, including the AIMS test
(Aggregate Imaging System). The environmental testing of leaching and solubilization were
previously performed by an independent company, which concluded that it was an inert
material. Hot mix design type A.A.U.Q. and C.A.U.Q. were performed using iron nickel slag
fine aggregate, crushed stone 1, crushed stone 0, gravel and Portland cement with the use of
CAP 50/70 modified by stripping ajust (DOPE). The asphalt mixtures were measured using
the Marshall method. These mixtures were characterized mechanically through the trials of
static tensile strength by diametral compression, moisture induced damage and resilient
modulus for diametral compression. The results of characterization of the layers of an
existing pavement, where there will be a test section with asphalt mixture containing iron
nickel slag, are presented in this paper. Tests were performed to measure the expansion of the
CBR method, Proctor compaction and grain size distribuition. The resilient modulus value of
a mixture of laterite soil and iron nickel slag to the base layer is also presented. The results
obtained for the sand asphalt type A.A.U.Q. with iron nickel slag were not satisfactory for this
type of mixture and presented null stable and resilient modulus values that were too low. The
mixture type hot mix asphalt C.A.U.Q obtained good results of Marshall stability, tensile
strength by diametrical compression and resilient modulus, compatible with similar mixtures
available in the literature. Mixing soil and iron nickel slag generated excellent results, with
zero expansion and resilient modulus up to 600 MPa. We conclude that iron nickel slag usage
is favorable in asphalt concretes as a substitute for sand and other environmental
requirements, thereby being suitable for employment in geotechnical works as a viable
economic and environmental option.
19
1
1.1
INTRODUÇÃO
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
A incessante preocupação com o meio ambiente impulsiona o homem a experimentar
novos materiais, muitos destes produzidos a partir de materiais reutilizáveis ou por meio de
técnicas que gerem menos poluentes.
Com o crescente desenvolvimento industrial que abrange boa parte do mundo, em
especial os países emergentes, é cada vez mais frequente a geração de resíduos sólidos que
constituem um passivo ambiental que deve ser mitigado de forma a se garantir o
desenvolvimento sustentável mundial. Por outro lado tem sido observado que muito destes
resíduos podem ser utilizados como agregados em obras de pavimentação asfáltica, desde que
seja garantido que não haja uma transferência do problema ambiental da área industrial para a
área de infraestrutura, além de que, obviamente os novos materiais empregados apresentem
características físicas e mecânicas similares as dos agregados convencionais.
Nos últimos anos, a atividade de recuperação de subprodutos se tornou indispensável em
face da necessidade da proteção ambiental. As indústrias siderúrgicas e metalúrgicas, em
especial, produzem grande quantidade de resíduos, em função dos processos de produção do
ferro, aço e outras ligas. Estabelecer alternativas para o aproveitamento destes resíduos é um
dos grandes desafios da sociedade moderna. A aproximação entre a universidade e a indústria
adquire importância fundamental para a viabilização de inovações tecnológicas.
O objeto de estudo desta pesquisa é a aplicação da escória de ferroníquel oriunda do
processo de redução de uma Planta Metalúrgica de uma empresa de mineração localizada no
estado de Goiás. Trata-se de um agregado composto de diversos elementos químicos,
constituindo-se em um resíduo comum no segmento de fabricação do ferroníquel. Segundo a
empresa, somente no ano de 2010 foram geradas mais de 370 mil toneladas de escória de
ferroníquel e este número tende a crescer devido ao aumento da produção do ferroníquel para
os próximos anos, segundo a empresa.
Neste contexto, pretende-se a sistematização de estudos direcionados para o
reaproveitamento de um resíduo metalúrgico da produção do ferroníquel, a escória de
ferroníquel. Vislumbra-se a possibilidade da aplicação destes materiais na área de
20
pavimentação. No estudo deste material, busca-se encontrar alternativas viáveis e econômicas
capazes de diminuir a disposição física deste agregado proveniente do processo produtivo do
ferroníquel da Mineradora Anglo American, aplicando-o como um agregado alternativo na
pavimentação rodoviária.
A escória de ferroníquel é um material ainda pouco estudado de acordo com as poucas
bibliografias pesquisadas, podendo ser encontrada em alguns estudos sobre sua aplicação em
concreto e material cerâmico. Sendo assim, este agregado se torna um grande desafio para
esta pesquisa por ainda não haver estudos do seu emprego em pavimentação rodoviária. Sua
aplicação como agregado alternativo em pavimentação rodoviária consumirá grande parte
deste resíduo, tornando-a um produto reutilizável diminuindo os impactos ambientais
negativos e dando um destino apropriado a este material.
1.2
OBJETIVO
1.2.1 OBJETIVO GERAL
Esta dissertação tem como objetivo encontrar soluções adequadas para a aplicação da
escória de ferroníquel como agregado alternativo em pavimentação rodoviária de baixo custo
com vários traços de misturas asfálticas e como emprego para base e sub-base.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
 Realizar a caracterização física, química e mineralógica da escória de ferroníquel
através de ensaios laboratoriais por Difração de Raio-X, Microscopia Óptica e
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectrômetro de Energia
Dispersiva (EDS) e AIMS;
 Realizar a dosagem Marshall de misturas asfálticas com a escória de ferroníquel,
com diferentes traços;
 Realizar ensaios de compactação e módulo resiliente para estudos preliminares em
aplicação como base e sub-base;
 Avaliar o comportamento mecânico dos traços elaborados.
21
1.3
JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA
A justificativa para a realização desta dissertação é a necessidade de mitigação do
problema ambiental da geração da escória de ferroníquel na indústria. Assim, analisar a
possibilidade da aplicação da escória de ferroníquel em pavimento rodoviário de baixo custo
– tal como areia asfalto usinado a quente e concreto asfáltico usinado a quente. Encontrar uma
solução adequada para o uso como um material reutilizável em pavimentação rodoviária,
tornando este resíduo uma das ferramentas essenciais capaz de reduzir o impacto ambiental
negativo, transformando o resíduo siderúrgico em produto reutilizável.
O emprego da escória de ferroníquel em pavimentação rodoviária se torna promissor para
pavimentos de baixo custo, pois viabiliza economicamente a pavimentação e possibilita a
conservação dos agregados minerais de alta qualidade para outras finalidades, além de se
tornar uma solução para locais em que não se dispõe de pedreiras ou cascalheiras como fonte
de agregados para pavimentação.
1.4
ESTRUTURA
A presente dissertação está estruturada da seguinte forma:
Capítulo 1 – Introdução: Neste capítulo são apresentadas as considerações iniciais sobre
o tema proposto, o objetivo, a justificativa e a relevância, e a composição da dissertação.
Capítulo 2 – Fundamentação teórica em materiais para pavimentação: Neste capítulo
são apresentadas algumas definições e considerações pertinentes ao que se referem a materiais
alternativos como alguns tipos de escórias em pavimentação.
Capítulo 3 – Materiais e Métodos: Neste capítulo são apresentadas a concepção inicial
dos ensaios realizados na caracterização química e física da escória de ferroníquel, a
confecção dos traços de misturas asfálticas e a compactação feitas em laboratório.
Capítulo 4 – Resultados e discussões: Neste capítulo são apresentados os resultados dos
ensaios e discutido o emprego da escória de ferroníquel na pavimentação rodoviária.
Capítulo 5 – Conclusões: Neste último capítulo são apresentadas as conclusões e
algumas sugestões para a elaboração de trabalhos futuros.
22
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Será apresentado neste capítulo o embasamento teórico referente aos agregados artificiais
de escórias como materiais em pavimentação. Destacam-se as propriedades químicas, físicas,
análise mecanística e metodologias para determinação da expansão da escória e o uso em
pavimentação. Para dar início à este capítulo, é feita uma rápida abordagem sobre conceito de
pavimento.
2.1
PAVIMENTO
De acordo com a norma NBR7207/82, pavimento é uma estrutura de múltiplas camadas,
construída após a terraplanagem, e destinada, econômica e simultâneamente em seu conjunto
com finalidades (Figura 2.1):
- 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 quando ao conforto e segurança.
FIG. 2.1 Estrutura de um pavimento.
Fonte: VIEIRA (2011)
Conforme a Figura 2.1, a estrutura de um pavimento é dividida, geralmente, em quatro
camadas: revestimento, base, sub-base e reforço do subleito. A camada tanto quanto possível
23
impermeável, destinada a melhorar as condições de rolamento quanto à comodidade e
segurança, e resistir aos esforços horizontais é o revestimento. Abaixo do revestimento,
encontra-se a base, uma camada destinada a resistir e distribuir os esforços verticais devido ao
tráfego. A sub-base é a camada corretiva do subleito ou complementar à base. Por fim, a
camada de reforço do subleito, que somente será utilizada de acordo com a necessidade do
dimensionamento do projeto, cuja a finalidade é melhorar a capacidade de suporte de carga do
subleito.
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 a fase de projeto,
simulações mecânicas dos esforços aos quais a estrutura será submetida são realizadas
(KUMAR et al., 2006, apud SOUSA et al., 2009).
O principal objetivo das camadas de pavimento é oferecer proteção ao subleito. Os
primeiros projetos de pavimento eram totalmente empíricos, baseados em observações
isoladas e locais. Os primeiros métodos empíricos para pavimentos flexíveis foram propostos
por HOGENTOGLER & TERZAGHI, em 1929. Ainda neste ano, o Departamento de
Estradas da Califórnia, iniciavam-se pesquisas para relacionar a espessura das camadas do
pavimento ao ensaio de CBR. Este estudo foi ampliado durante a Segunda Guerra Mundial,
tornando-se bastante popular no pós-guerra (HUANG, 2004).
O dimensionamento de pavimentos deixou de ser realizado unicamente por métodos
empíricos a partir de 1970, quando surgiram as primeiras análises do comportamento
estrutural dos pavimentos baseadas no cálculo de tensões e deformações por meio da
utilização de programas computacionais que facilitaram a análise mecanística dos sistemas em
camadas. O professor Murilo Lopes de Souza introduziu no Brasil, em 1966, o método para o
dimensionamento de pavimentos baseado no ensaio California Bearing Ratio (CBR). O CBR
é um ensaio de capacidade de carga estático que compara os valores obtidos para os materiais
em uso com um material padrão (brita graduada oriunda da Califórnia). Por intermédio destes
estudos obteve-se um dimensionamento mais racional a partir do entendimento do pavimento
como uma estrutura e um sistema de camadas (MEDINA, 1997; SOARES, 2000; MOTTA,
2002 apud CASTELO BRANCO, 2004).
O primeiro passo para a utilização de novos materiais na engenharia rodoviária deve ser
sua correta caracterização, pois o conhecimento das suas peculiaridades é a chave para a
24
solução de eventuais problemas que venham a existir a partir da utilização destes novos
materiais. Estudos relacionados ao emprego de agregados alternativos em obras civis vem de
maneira favorável a contribuir com atual cenário da construção civil no Brasil e no mundo,
encontrando soluções para materiais que antes não explorados e descartados estão sendo
reutilizados com foco e interesse na contribuição e cuidado com o meio ambiente
possibilitando a diminuição de passivos ambientais que se tornou um dos maiores apelos da
sociedade moderna para a proteção do meio ambiente.
2.2
ESCÓRIAS
Segundo o Instituto Aço Brasil (2010), na tecnologia da produção do aço (Figura 2.2) é
gerado uma série de materiais produzidos além do aço. A Norma ISO 14040 descreve estes
materiais como co-produtos, sendo um ou mais produtos oriundos do mesmo processo ou
sistema produtivo.
FIG. 2.2 Tecnologia da produção do aço.
Fonte: Instituto Aço Brasil (2010)
O Brasil, oitavo maior produtor de aço bruto do mundo, possui um parque siderúrgico
composto por 28 usinas em 10 estados que tiveram um faturamento, em 2009, de mais de 76,9
25
bilhões de reais e que geraram aproximadamente 22 milhões de toneladas de resíduos sólidos
(Instituto Aço Brasil, 2010).
Ainda segundo o Instituto Aço Brasil (2010), somente o processo siderúrgico gera em
média 600 kg de resíduos e co-produtos por tonelada de aço produzido (já foi superior a 700
kg). Os principais resíduos são os: pós, lamas e escórias brutas e os co-produtos da indústria
do aço são o: benzeno, alcatrão, BTX (benzeno, tolueno e xileno), escórias de alto forno e
aciarias.
As escórias de aciaria e de alto-forno são classificadas quanto à sua natureza como
agregado artificial, que são resíduos de processos industriais. São um dos tipos de agregados
artificiais mais utilizados em pavimentação. Elas podem apresentar problemas de
expansibilidade e heterogeneidade, requerendo tratamento para utilização, porém podem
apresentar alta resistência ao atrito (BERNUCCI et al., 2007).
Entende-se a relevância da aplicação destes materiais como agregado alternativo em
pavimentação frente à necessidade de se contribuir para a sustentabilidade do planeta através
de ações adequadas de reaproveitamento.
Além disso, segundo o Instituto Aço Brasil (2010), o uso dos agregados siderúrgicos traz
uma série de vantagens em relação aos agregados naturais – como brita, pó de pedra,
cascalho, calcário, piçarra, saibro e areia. Reduz o consumo de recursos naturais não
renováveis, já que substitui materiais provenientes de implosão de jazidas e da mineração de
rochas, areia e outros materiais primários. Permite a reciclagem de um resíduo industrial,
formando um produto para fins nobres, como obras de infraestrutura, reduzindo a necessidade
de aterros de resíduos industriais, uma vez que a disposição do que era antes um resíduo é
substituída pela reciclagem e aplicação de um produto. Reduz a emissão de CO2 para a
atmosfera, substituindo o clínquer na composição do cimento (na indústria cimenteira, a
transformação de calcário em clínquer é a etapa de maior contribuição para a emissão de
gases do efeito estufa).
A utilização de escória em pavimentação, que se tem registro, começou no final da
década de 70 nos Estados Unidos, Inglaterra, Japão e Canadá. No Brasil, o uso de escória de
aciaria e de alto-forno em pavimentação não é recente havendo trechos executados há mais de
20 anos. (CAVALCANTE et al., 2003; ROHDE, 2002; ALVARENGA, 2001; LIMA et al.,
2000).
Na década de 1980, já existiam no país pesquisas sobre o uso de escórias granuladas de
alto-forno como agregados para pavimentação, conforme CAMPOS (1987) apud BALBO
26
(2007), sendo em alguns casos estes agregados utilizados como materiais granulares em base,
sub-base e como agregados em revestimento asfáltico. O uso destes agregados em
pavimentação asfáltica já apresenta diversos estudos. No entanto, enfatiza-se que devem ser
adotadas medidas de controle em relação à expansibilidade do material e suas características
físicas, químicas e mecânicas para a aplicação na pavimentação rodoviária.
A seguir, serão descritas diversas características da escória de aciaria como um dos
resíduos da produção do aço mais amplamente estudados por diversos autores no Brasil e no
mundo, cujas características serão comparadas com as das escórias de ferroníquel, materiais
ainda pouquíssimo estudados que foram utilizados nesta pesquisa.
2.2.1 ESCÓRIA DE ACIARIA
É um subproduto ou co-produto da produção do aço, constituída de diversos elementos
químicos que não interessam estar presentes na produção do aço. Ela é um composto formado
na produção do ferro e do aço, a partir de adições de cal virgem, de uma fonte de MgO e CaF2
(Fluorita), cuja finalidade é absorver os óxidos resultantes da reação do oxigênio insuflado no
processo com as impurezas (P, S, Mn, C, etc.). A escória de aciaria é rica em CaO, MgO e
SiO2, tornando-se um material com características expansivas (Harsco Minerals, 2010). A
Figura 2.3 ilustra o oxigênio sendo insuflado no conversor onde ocorrem as ligações
químicas.
FIG. 2.3 Oxigênio insuflado no conversor da aciaria.
Fonte: Harsco Minerals (2010)
No Brasil a escória de aciaria se destaca como material granular em camadas de
pavimentos rodoviários, segundo diversos estudos (PACHECO & MARANGON (1997);
27
MACHADO (2000); ALVARENGA (2001); ROHDE (2002); CASTELO BRANCO (2004);
POLISSENI (2005); RAPOSO (2005); GONTIJO (2006), FREITAS (2007), TAVARES
(2010) entre outros.
Países como Brasil, Estados Unidos, Canadá, Reino Unido, França, Alemanha, Itália,
Japão e Coréia do Sul já utilizam a escória de aciaria em sub-bases, bases e pavimentação
asfáltica como alternativa a agregados naturais como brita e areia de rio (POLISSENI, 2005).
Ele cita também alguns registros de sucesso em obras de engenharia rodoviária utilizando a
escória de aciaria:
 Aeroporto da Usiminas – MG: Pátio de pouso e decolagem (2,0 km) (ALBERNAS et
al., 2000);
 Acesso a Ipaba – MG: (5,0 km) (ALBERNAS et al., 2000);
 Construção do Porto Seco em Juiz de Fora – MG (PACHECO e MARANGON,
1997);
 Construção do contorno rodoviário da cidade de Volta Redonda – RJ (FUNDAÇÃO
CENTRO TECNOLÓGICO DE JUIZ DE FORA, 2002);
 Acesso ao Porto de Praia Mole – Vitória – ES (ROSSI, 2003);
 Aterro sobre solo mole, sub-base e capas asfálticas na BR 303 – Vitória – ES (SILVA,
2003);
 Experiência com agregado siderúrgico na cidade de Praia Grande – SP (FILHO,
2003);
 Pavimento de alto desempenho estrutural executados com escória de aciaria DER-MG
/ USIMINAS (NASCIMENTO e ALBERNAZ, 2003)
 Avenidas internas da Companhia Siderúrgica de Tubarão – Vitória – ES (LANA,
2003c);
 Qualidade e economia no pavimento de ruas do município de Serra – ES (DADALTO,
2003);
 Pavimentação Urbana em Mogi das Cruzes – SP, Volta Redonda e Três Rio – RJ
(COSIPA, 2003);
 Revestimento do pátio de “containers” da COSIPA – SP (COSIPA, 2003);
 Pavimentação da terceira zona residencial de Praia Grande – SP (COSIPA, 2003);
 Regularização de solo e aplicação do pavimento econômico do condomínio Guaratuba
– SP (COSIPA, 2003);
28
 Pavimentação de estradas vicinais e vias públicas DERSA / DNER – SP
(aproximadamente 300 km) (COSIPA, 2002);
 Pavimentação da Via Dutra (trecho de Resende – RJ) (COSIPA, 2003).
Tanto nas usinas integradas, que usam o conversor a oxigênio, como nas usinas semi
integradas, que usam forno de arco elétrico, são gerados de 70 kg a 170 kg de escória de
aciaria por tonelada de aço produzido. (SETEPLA, 1999 apud Instituto do Aço, 2010).
A grande variação presente na composição química e mineralógica da escória de aciaria é
atribuída aos seguintes fatores: a qualidade da matéria-prima, o processo de produção
empregado para a obtenção do aço, a forma de resfriamento e o manejo de sua estocagem nos
bota-foras (COOMARASAMY & WALSAK, 1995 apud CASTELO BRANCO, 2004;
MACHADO, 2000).
O tipo de resfriamento desse rejeito afeta também sua granulometria, porque é neste
momento que ocorre a maior parte das reações químicas (LIMA et al., 2000). As escórias
resfriadas ao ar ou vapor, possuem natureza expansiva e tornam-se leves, ao contrário das
escórias resfriadas bruscamente com o jato d’água, se tornam vítreas, com granulometria
semelhante à areia de rio, estrutura porosa e textura áspera (GEYER, 2001).
A escória de aciaria LD, cuja sigla refere-se à produção do aço ser no conversor de
oxigênio do tipo LD (Linz-Donawitz), possui características expansivas devido,
principalmente, à hidratação da cal livre (CaO) e do periclásio (MgO) MACHADO (2000),
CASTELO BRANCO (2004), RAPOSO (2005).
Na Tabela 2.1, são apresentadas as variações volumétricas em função das transformações
ocorridas nas principais espécies químicas presentes na escória de aciaria (MARCACCINI,
2009).
29
TAB. 2.1 Características das espécies químicas isoladas antes e após hidratação.
No
Fórmula
Nome
Densidade
(g/cm3)
M.Mol
(g/mol)
Vol. Molar
(cm3/mol)
Variação de
Volume em (%)*
1
MgO
Periclásio
3,58
40,31
11,26
Em relação ao MgO
2
Mg(OH)2
Brucita
2,36
58,33
24,72
119,5
3
CaO
Cal
3,38
56,08
16,59
Em relação ao CaO
4
Ca(OH)2
Portlandita
2,24
74,09
33,08
99,4
5
CaCO3
Calcita
Aragonita
2,93
2,71
100,09
100,09
34,16
36,93
105,9
122,6
Dolomita
2,87
184,41
64,25
287,3
7
CaCO3
MgCO3
Fe0
Ferro (Metálico)
7,86
55,85
7,11
Em relação ao Fe0
8
FeO
Wustita
5,7
71,85
12,61
77,4
9
Fe2O3
Hematita
5,24
159,69
30,48
328,7
10
Fe(OH)2
Hidróxido
3,4
89,86
26,43
271,7
11
FeO(OH)
Goetita
4,28
88,85
20,76
192
6
*Valores calculados a partir do volume e da densidade absoluta das espécies químicas
isoladas.
Fonte: WEAST et al., (1971) apud MARCACCINI (2009)
MARCACCINI (2009) observou que nas transformações por hidratação das espécies
números 2, 4, 10 e 11 da Tabela 2.1 e carbonatação da espécie número 5 da Tabela 2.1, ou por
oxidação das espécies números 8 e 9 da Tabela 2.1, ocorreu um significativo aumento de
volume em relação às dimensões originais do cristal. Este fenômeno conduz à expansão
destrutiva na escória de aciaria.
As escórias de aciaria já tiveram seu emprego bastante limitado como material alternativo
de construção civil devido a sua expansibilidade ou instabilidade volumétrica, que são
causadas pela hidratação do CaO e MgO presentes em sua composição química.
FILEV (2013), por exemplo, citou que no Japão desde 1979 a escória já era utilizada em
concreto asfáltico, porém criou-se uma norma que prevê a produção de escórias para
pavimentação através de diferentes formas de estabilização e com diferentes granulometrias,
para empregos em camadas de pavimentos, misturas asfálticas, entre outros. Esta norma prevê
que se a expansibilidade da escória for inferior a 2,5%, não existe perda na resistência do
pavimento.
No Brasil, o DNIT (antigo DNER) também desenvolveu normas para utilização da
escória em pavimento rodoviário. A norma DNER-EM 260/94, que descreve como a escória
de alto-forno deve ser empregada nas camadas do pavimento, assim como a norma DNER-
30
PRO 262/94, que fixa as condições para aplicação da escória de aciaria em pavimento
rodoviário.
A expansibilidade é uma característica inconveniente desse material, o que recomenda-se
sua imersão em água por longos períodos a fim de torná-lo estável. Para a escória ser utilizada
como agregrado na construção civil é necessário seu tratamento em relação à expansão
(RODRIGUES, 2007 apud TAVARES et al., 2010) e também a britagem em tamanhos
adequados (TAVARES et al., 2010).
POLISSENI (2005) citou alguns casos de insucessos no Brasil devido à expansibilidade
volumétrica da escória de aciaria elétrica ou LD:

A BR 262 / MG, em Minas Gerais: o trecho com escória LD apresentou problemas
de expansão (GUMIERI, 2002 apud POLISSENI, 2005).

Acesso Norte, na cidade de Juiz de Fora – MG: o trecho com escória de aciaria
elétrica apresentou problemas de expansão no pavimento asfáltico (POLISSENI &
PACHECO, 2002 apud POLISSENI, 2005).
EMERY (1978); RUBIO & CARRETEIRO (1999) citaram que o óxido de cálcio livre e
o óxido de magnésio livre, nas escórias de aciaria, hidratam-se mais rapidamente e mais
lentamente, respectivamente, sendo responsáveis pela instabilidade volumétrica da escória. O
óxido de cálcio livre hidrata em poucas semanas e a hidratação de óxido de magnésio livre
pode levar anos. O óxido de magnésio, por suas reações serem mais lentas, é o responsável
pela expansão a longo prazo (MASUERO et al., 2000).
Os efeitos provocados durante a expansão da escória geram tensões internas que podem
provocar trincas e fracionamento do material quando empregada como agregado alternativo
no pavimento conforme pode ser visto na Figura 2.4.
31
FIG. 2.4 Expansão causada pela escória de aciaria utilizada no pavimento.
Fonte: RAPOSO (2005)
Outros defeitos em pavimentos, causados pela expansão da escória de aciaria, foram
citados por GONTIJO (2006) apud FREITAS (2007). A Figura 2.5 ilustra os defeitos
causados pelo potencial expansivo da escória de aciaria.
a) Trinca radial ou “vulcãozinho”
b) Fissurações Longitudinais
c) Solevações transversais ou “quebra-molas”
d) Deslocamento rotacional da sarjeta
FIG. 2.5 Defeitos em pavimentos causados pela expansibilidade das escórias de aciaria.
Fonte: GONTIJO (2006) apud FREITAS (2007)
32
Assim também, MONTGOMERY & WANG (1991) relataram a instabilidade
volumétrica que ocorre na escória de aciaria não está associada somente à quantidade de
óxido de cálcio livre, mas também é função da forma em que se encontra e da dimensão do
grão.
Normalmente, a maior parte das escórias de aciaria apresenta um teor total acima de 3%
óxido de magnésio, ocasionado principalmente pela dissolução incompleta da dolomita
durante o processo de refino do aço e resultando na formação do periclásio, que é a espécie
química contribuinte no processo de expansão. Uma das possíveis alternativas para minimizar
o problema de expansão do MgO, é a redução da dimensão dos grãos para se obter o menor
tamanho possível, o que facilitaria a dissolução e a reação completa desse óxido.
(MONTGOMERY & WANG, 1991; MACHADO, 2000; PENA, 2004; RAPOSO, 2005 apud
SILVA, 2010).
Hoje muitas empresas associadas aos produtores de aço tem desenvolvido técnicas para
acelerar a inertização da expansão, pelo menos de forma parcial, permintindo seu uso mais
seguro em camadas superficiais de pavimento (TAVARES et al., 2010).
Segundo o DNER-EM 262 / 94 a escória para uso em pavimentação deve obedecer aos
seguintes limites:
• Máximo de 3,0% de expansão;
• Isentas de impurezas orgânicas, contaminação com escórias de alto forno, solos e outros
materiais;
• Granulometria: 40,0% até 12,7 mm e 60,0% entre 12,7 e 50,8 mm de abertura nominal e
atender à granulometria de projeto;
• Absorção de água: 1,0% a 2,0% em peso;
• Massa específica: 3,0 a 3,5 g/cm3;
• Massa unitária: 1,5 a 1,7 g/cm3;
• Desgaste por abrasão Los Angeles: no máximo igual a 25,0% para sub-base, base e
revestimento;
• Durabilidade ao sulfato de sódio: 0,0% a 5,0%, em 5 ciclos.
Outros países já especificaram o uso da escória para construção rodoviária. A França, por
exemplo, especificou o que chamam de grave-laitier que consiste na mistura desse rejeito
com agregados comuns ou com cal hidratada (Ca(OH)2), que também é chamada de hidróxido
de cálcio, para ser utilizada em construções de base ou sub-base de pavimentos. Cerca de
33
65,0% das rodovias francesas utilizam este material (SHERWOOD, 1995 apud ROHDE,
2002).
Para se avaliar o problema da expansão, têm sido desenvolvidos e adotados métodos
experimentais de determinação da expansão das escórias de aciaria. Esses métodos são
classificados de acordo com a aplicação da escória de aciaria, sendo usado um corpo-de-prova
com cimento quando adicionada ao concreto e um corpo-de-prova compactado quando
utilizada em estradas (MACHADO, 2000). No entanto, de acordo com EMERY (1978)
muitos desses métodos têm se mostrado demorados, custosos e de difícil execução.
CASTELO BRANCO (2004) encontrou valores elevados de expansão da escória de
aciaria estudada para misturas asfálticas. A autora sugeriu uma readequação do processo de
armazenagem da escória de aciaria através do controle de idade das pilhas de escória
juntamente com o tratamento de uma cura para facilitar a comercialização da escória para fins
rodoviários. RAPOSO (2005) também sugeriu um controle dos lotes de escória de aciaria para
que possam ser corretamente avaliados segundo os critérios de expansão.
Segundo a empresa ArcelorMittal Tubarão, que buscou parceria com a KAEME
Consultoria, a escória de aciaria LD pode sofrer mecanismos que propiciam maior rapidez na
sua estabilização, de modo que os óxidos livres sejam em parte inertizados, reduzindo assim,
a capacidade da escória expandir.
Esse processo consiste em "estimular" a reação dos óxidos livres a partir de reação dos
mesmos com o ar e a água, através de um processo de umidificação e aeração da escória
durante certo período de tempo. Isto ocorre com a passagem de máquinas revolvendo o
material, ao passo que na maioria das vezes, ocorre simultaneamente aspersão de água sobre o
mesmo.
Os teores de CaO e MgO e os respectivos produtos da hidratação são os maiores
responsáveis pela estabilização das escórias. Tais teores são variáveis em função da
capacidade de ação da umidade sobre as pilhas de estocagem da escória e o tempo de
exposição destas. Estudos comprovaram que numa pilha de estoque de escória, os teores de
cal livre variam em função da profundidade. Uma vez que as camadas superficiais formam
uma capa protetora à infiltração da umidade, não há condições favoráveis para a hidratação
dos óxidos situados nas camadas mais profundas, permanecendo em estados livres
(MOREIRA, 2006).
No Brasil, já existem muitos estudos com escória de aciaria em substituição aos
agregados convencionais na pavimentação.
34
ALVARENGA (2001) analisou e comparou as propriedades resilientes e custos de
pavimentos flexíveis utilizando escória de aciaria como base. Utilizou o método de
dimensionamento mecanístico baseado no módulo resiliente e concluiu que a escória de
aciaria estudada mostrou-se adequada para o uso como camada de base. O módulo de
resiliência da escória de aciaria foi comparado com o de uma brita de pedreira e concluiu-se
que os módulos foram muito parecidos. Concluiu-se também, que o módulo de resiliência da
escória de aciaria era pouco sensível à variação de umidade. Para a região investigada e
empreendimentos realizados até 120 km de distância do centro gerador de escória de aciaria,
este material, além de atender às prescrições de ordem técnica, mostrou-se economicamente
vantajoso.
ROHDE et al., (2003) investigaram as características resilientes do agregado escória de
aciaria de forno elétrico granulometricamente corrigida (EGC). Na Figura 2.6 são
apresentados os resultados de módulo de resiliência deste material comparados aos módulos
resiliência de uma brita de basalto (MARMIT, 2002), uma brita de granito (CERATTI, 2000)
e de um saibro (LAPAV, 2001 apud ROHDE 2002). Observa-se nessa figura que a escória
granulometricamente corrigida (EGC) apresentou módulo de resiliência superior ao de outros
materiais granulares, e explicou que tal diferença pode ser função da forma e da superfície
rugosa do material, que garantiriam um maior intertravamento entre as partículas de escória
de aciaria em relação aos materiais convencionais.
FIG. 2.6 Módulos de resiliência da EGC e de materiais granulares convencionais.
Fonte: ROHDE et al., (2003)
CASTELO BRANCO (2004) realizou ensaios de módulo resiliência em três traços
diferentes de misturas asfálticas do tipo C.A.U.Q. A Figura 2.7 ilustra o valor de módulo
35
resiliente para as misturas M1, M2 e M3 com 40%, 60% e 80% de escória e 6%, 7% e 6,8%
de teor de ligante, respectivamente.
FIG. 2.7 Valores de Módulo de Resiliência (MR) para as misturas M1, M2 e M3.
Fonte: CASTELO BRANCO (2004)
Concluiu-se que, em relação aos resultados dos ensaios de MR da mistura comparativa,
os maiores valores encontrados foram para: M1 e M3, enquanto os menores valores foram
para a mistura M2. Estes resultados já eram de certa forma esperados, devido à maior
quantidade de ligante na mistura M2.
ALVARENGA (2001) citou algumas obras brasileiras onde foi utilizada a escória de
aciaria na pavimentação entre elas: BR-393 (Volta Redonda-Três Rios), RJ-157 (Barra
Mansa-Divisa RJ/SP), RJ-141 (BR-393-Vargem Alegre), BR-116 (Volta Redonda - Divisa
RJ/SP), 13 km da rodovia que liga Volta Redonda e o distrito Nossa Senhora do Amparo
(Barra Mansa), várias ruas dos municípios de Volta Redonda, Resende, Barra do Piraí,
Itaguaí, Barra Mansa e Magé (RJ) e no município de Mogi das Cruzes (SP), vias no interior
da CST e revestimentos primários na região Sul Fluminense. O uso de escória em
pavimentação é uma aplicação de reciclagem de resíduos primordial para a preservação do
meio ambiente reduzindo custo e consumo de energia.
FREITAS (2007) avaliou o emprego de escória de aciaria na produção de misturas
asfálticas de módulo elevado. Adotou uma única curva granulométrica e variou o uso de
ligantes do tipo CAP 30/45, Resíduo de Vácuo e CAP 30/45 com SASOBIT. Concluiu que a
escória de aciaria se mostrou adequada ao uso como agregado em misturas asfálticas de
módulo elevado, sendo os melhores resultados obtidos com uso do ligante com SASOBIT. A
36
mistura também apresentou maior desempenho mecânico em comparação ao da mistura com
agregado convencional, embora com teor ligeiramente maior de ligante.
WESSELING (2005) analisou, por meio de um estudo experimental, o comportamento
mecânico de misturas em concreto asfáltico utilizando a escória de aciaria e resíduo areia de
fundição. No seu estudo ficou evidente que incorporação da escória de aciaria à mistura em
concreto asfáltico apresentou desempenho superior ao da mistura com agregados
convencionais nas propriedades mecânicas e de durabilidade. A mistura com o uso da adição
da areia de fundição em combinação com a escória de aciaria não apresentou desempenho
satisfatório, devido ao seu maior consumo de ligante e desempenho mecânico inferior.
PARENTE et al., (2003) estudaram o comportamento mecânico (ensaios triaxiais cíclicos
e ISC) de duas misturas solo e escória, com teores de escória variando entre 50% e 70% para
utilização na pavimentação em camadas de bases e sub-bases, visto que as misturas soloescória apresentaram valores superiores de CBR e modulo de resiliência (MR) em relação aos
das misturas comparativas convencionais de solo-brita. As escórias foram submetidas a um
processo de cura por um período de três meses para que seu potencial expansivo fosse
reduzido aos limites aceitáveis.
RAPOSO (2005) estudou experimentalmente a compactação e expansão de uma escória
de aciaria do tipo LD utilizando amostras tratadas e amostras não tratadas, com o objetivo de
utilizá-la em camadas de base e sub-base de pavimentos rodoviários. Foram realizados
ensaios laboratoriais de caracterização (física, química e ambiental), compactação (Proctor
normal e Proctor modificado), expansão pelos métodos PTM-130/78, JIS A 5015/92 e ASTM
D 4792/00, além de ensaios complementares como ISC e o ensaio de permeabilidade à carga
variável. Os resultados obtidos dos ensaios de compactação demonstraram que a escória
estudada apresenta comportamento típico de materiais granulares e umidade ótima de
compactação indefinida. E quanto à expansão, a escória de aciaria LD do estudo, deve sofrer
algum tipo de tratamento com o objetivo de reduzir os níveis de expansão, sendo somente a
amostra tratada atendido ao limite de 3% de expansão conforme as normas de utilização da
escória de aciaria DNIT-PRO 263/94 e DNIT-EM 262/94.
37
2.2.2 ESCÓRIA DE FERRONÍQUEL
A escória de ferroníquel é gerada no processo de fusão do minério de níquel em forno
elétrico trifásico, onde elementos não metálicos, tais como SiO2, MgO e Fe2O3, são
granulados na presença de água (Barro Alto Presentation, 2012).
A etapa de fusão do minério laterítico em ferroníquel calcinado e reduzido representa a
operação mais importante de tratamento pirometalúrgico de óxidos minerais de níquel. É
calcinado e fundido em forno elétrico a arco gerando grandes quantidades de escória. Sua
composição corresponde ao ponto de fusão que constitui um dos fatores mais importantes que
afeta o modo de operação do forno elétrico (RODRÍGUEZ & VILLAMIL, 2007).
A escória de ferroníquel, diferentemente das escórias de aciaria e alto-forno, ainda é
pouco estudada em termos de aplicação na engenharia civil, sendo que alguns estudos
existentes encontrados abordam sua aplicação como agregado alternativo em misturas de
concreto de cimento e como matéria prima para pigmento cerâmico.
FRANCKLIN JUNIOR & ALMEIDA (2010) verificaram as propriedades do concreto de
cimento produzidos com agregados de escória de ferroníquel. Executaram um traço de
concreto referência com agregados convencionais e cinco traços de concreto substituindo o
agregado convencional miúdo pela escória de níquel nos teores de 100%, 90% 80%, 70% e
60% respectivamente. A escória de ferroníquel estudada foi provenientes da Comercial Lilian
Ltda (Mineração Morro Azul), município de Pratápolis no Sudoeste do Estado de Minas
Gerais. Um material originado da extração de rochas ultramáficas mineralizadas com sulfetos,
composta principalmente por Ferro (Fe), Silicato (SiO2), Magnésio (MgO) e outros elementos
químicos. Concluíram que o traço de concreto com a escória corrigida com o uso de 60%
apresentou excelente trabalhabilidade, devido principalmente à forma esférica das partículas
da escória, e resistência à compressão compatível ao do concreto utilizado sem escória (traço
referência).
LIMA & ZAMPIERON (2009) investigaram a escória de níquel como pigmento a ser
incorporado na indústria cerâmica. Realizaram ensaios com o uso de um espectômetro de
raio-X afim de verificar sua composição química e confeccionaram 10 corpos de prova em
forma de pastilhas com a escória moída em uma prensa hidráulica com pares de temperatura
600C, 700C, 800C, 900C e 1000C, conforme Figura 2.8.
38
FIG. 2.8 Corpos de prova submetidos à temperatura entre 600°C a 1000°C.
Fonte: LIMA & ZAMPIERON (2009)
Na temperatura de 600°C foi evidenciada a fase olivina de composição (Mg.Fe0.SiO4). A
fase olivina em temperatura acima de 700°C desaparece, mostrando então que é possível
utilizá-la em pigmento cerâmico até a temperatura de 600°C. Já a fase de magnetita e hematita
de composição (Fe3O4; Fe2O3) está presente em todas as temperaturas trabalhadas. Tal
estabilidade permite afirmar que é possível ter um pigmento estável em temperaturas
elevadas.
A caracterização da composição química e mineralógica da escória, quando utilizada
como um agregado, exerce grande influência nas tomadas de decisão para o uso ou não deste
resíduo.
Por exemplo, NÓBREGA et al., (2005) citaram alguns casos de contaminação por
elementos pesados contidos em tipos de escória distintos. Em um caso em Santo Amaro da
Purificação/BA, uma empresa fechou em 1993 por problemas de ordem econômica,
ocupacional e ambiental.
Um outro caso, também citado por NÓBREGA et al., (2005) foi em Nova Jersey/EUA
1992 a 1993, o Departamento de Serviços de Saúde de Nova Jersey (NJDHSS) e Instituto de
Ciência de Saúde Ocupacional e Ambiental (EOHSI) conduziram um estudo de avaliação à
exposição de escória de cromo. A pesquisa foi realizada em pessoas da Cidade de Hudson e
de um grupo formado para comparação de outras cidades. O nível de detecção foi através de
amostras de urinas, de 1712 pessoas pesquisadas da Cidade de Hudson, sendo que 9,2%
apresentaram nível de cromo na urina acima de 0,5 µg/litro.
Por outro lado, outro aspecto que deve ser analisado nas escórias além da contaminação,
é a presença de elementos químicos que possam causar a expansibilidade do agregado. A
escória de ferroníquel, por exemplo, possui em sua composição química uma quantidade
considerável de óxido de magnésio (MgO) e apenas traços de óxido de cálcio (CaO). No
39
entanto, EMERY (1978), RUBIO & CARRETERO (1991), citaram que a presença do óxido
de magnésio na escória pode levar anos para se hidratar, quando comparado ao óxido de
cálcio livre, que hidrata-se mais rapidamente causando a instabilidade volumétrica da escória.
SILVA et al., (2003) apud CASTELO BRANCO (2004) concluíram que após 15 anos de
estudo, a cinética da reação de hidratação do MgO é muito lenta. O grau de instabilidade
destes compostos depende do tamanho dos cristais. Os cristais pequenos hidratam-se
rapidamente, enquanto cristais grandes são formados por um processo de resfriamento lento.
Se resfriada bruscamente, de forma que não haja tempo hábil para que o arranjo cristalino
ocorra, produz-se um material predominantemente vítreo. A escória vítrea apresenta nível de
energia mais elevado do que o da cristalina, porque retém a energia de cristalização de
aproximadamente 200 kJ/kg, sendo portanto termodinamicamente menos estável que as
cristalinas (JOHN, 1995 apud JOHN, 2000). No caso da escória de ferroníquel estudada nesta
pesquisa, sofre o mesmo processo de resfriamento, porém, possui uma estrutura cristalina
confirmada pelo ensaio de difração de raio-X que confirmou a presença do mineral Faialita. O
resultado se encontra no capítulo 4 deste trabalho.
Existe algumas tecnologias básicas para produção de escórias vítreas. Uma delas,
praticamente normal nas grandes siderúrgicas brasileiras, é conhecida como granulação. A
granulação da escória de alto-forno foi originalmente introduzida por volta de 1853 por
Lange, na Alemanha, e visava facilitar a sua remoção das siderúrgicas (JOHN, 2000). Este
processo é similar ao da escória de ferroníquel estudada nesta pesquisa. A escória, ainda no
estado líquido, é granulada com a presença de água que sofre o resfriamento brusco formando
os grãos da escória com granulometria muito pequena similar à da areia, alguns com formas
irregulares e outros com formatos esféricos.
RICHTER (2009) relatou duas rotas no processo de recuperação do níquel e ferroníquel
no minério (ver Figura 2.9). O processo Caron, também conhecido como lixiviação
amoniacal, recupera essencialmente o níquel, o cobre e o cobalto contidos no minério, na
forma de carbonato granular ou sínter de óxido, para posterior refino. A lixiviação ácida
realiza o mesmo processo, mas o reagente principal é o ácido sulfúrico. Todas essas rotas
hidrometalúrgicas buscam a obtenção do níquel metálico. A rota RKEF (calcinador rotativoforno elétrico) recupera o ferro e o níquel contidos, além de parte do cobalto, em uma liga
metálica, camada de ferroníquel.
40
FIG. 2.9 Rotas de processamento para obtenção do níquel.
Fonte: RICHTER (2009)
GOMES (2010) descreveu que o processo Caron é extremamente dependente de
combustíveis fósseis e apresenta baixo rendimento (próximo de 70% de extração Ni),
associado principalmente à baixa eficiência da etapa de redução que antecede a lixiviação.
Já no processo Pirometalúrgico, mesmo processo adotado para a escória de ferroníquel
utilizada nesta pesquisa, após lavrado, o minério é enviado para secadores, que removem sua
umidade. A seguir, é encaminhado a um forno, onde o concentrado de ferroníquel é formado,
com produção de escória. O concentrado tem teor de 23% de níquel e é utilizado como
insumo na indústria de aço inoxidável (FERREIRA et al., 2008). O processo para a produção
do ferroníquel se inicia na extração do minério na mina (Figura 2.10).
41
FIG. 2.10 Mina de extração do minério de ferroníquel.
Fonte: Barro Alto Presentation (2012)
O solo da região do município de Niquelândia / GO, é um solo laterítico e possui alto teor
de óxido de ferro, por isso no processo de produção da empresa Mineradora produz-se a liga
Ferroníquel.
É importante ressaltar, segundo ROSEMBERG (1968), é válido como quase regra geral,
que os minérios oxidados, por exemplo, os utilizados pela empresa Mineradora desta
pesquisa, são utilizados para produzir o ferroníquel e os sulfetados, para fabricar níquel
metálico. Normalmente os minerais de níquel encontram-se associados a minerais silicatados
secundários, e o níquel costuma substituir o magnésio em alguns minerais primários (olivina,
hiperstênio, hornblenda e biotita). Não é possível encontrar níquel nativo puro na natureza.
Uma quantidade considerável deste minério é empregada anualmente neste processo
pirometalúrgico, o qual compreende as etapas de Preparação do Minério (Britagem,
Homogeneização e Secagem), Calcinação, Redução e Refino. Na Redução obtém-se o
ferroníquel que, posteriormente, é enviado ao Refino para retirada de impurezas, como o
enxofre e o fósforo. Após esta etapa, a liga está adequada para a comercialização. O
ferroníquel é utilizado, principalmente, na indústria de aço-inox. Tanto na Redução, quanto no
Refino são geradas escórias de processo (ver Figura 2.11), sendo que objeto deste estudo é a
escória do processo da Redução (Barro Alto Presentation, 2012).
42
FIG. 2.11 Processo de produção do ferroníquel das Plantas de Barro Alto e Codemin.
Fonte: Barro Alto Presentation (2012)
O ferroníquel é um metal ferromagnético, com elevada dureza, e um branco brilhante o
qual é facilmente convertido numa variedade de produtos. O seu uso mais comum é como um
componente de várias ligas, de aços inoxidáveis que são as mais comuns (Minera Loma de
Níquel, 2012). FERREIRA et al., (2008) citaram que a maior parte do níquel produzido é
consumida na fabricação de ligas ferrosas e não ferrosas.
As características físico-químicas do níquel permitem que ele ceda características muito
importantes para ligas em variadas aplicações. Dentre as várias características possíveis do
níquel, destacam-se as seguintes: resistência a quente, devido ao seu alto ponto de
fusão; resistência à corrosão, devido a sua alta dureza e tenacidade; reduzida variação
dimensional, dada por seu elevado módulo de elasticidade de 204 GPa; e elevada resistência
elétrica (eletronegatividade baixa), que garante um grande aquecimento durante a condução
elétrica (LUZ et al., 2010).
Os depósitos de níquel podem ser de origem magmática ou residual. As jazidas
magmáticas são também chamadas de sulfetadas e as jazidas residuais são constituídas por
material extremamente alterado pelas interpéries. As jazidas residuais possuem como fonte as
rochas ultrabásicas, são chamadas de lateríticas, normalmente são encontradas na região dos
43
trópicos, e representam 80% das reservas e 45% da produção mundial (MANO, 2002 apud
RICHTER, 2009).
Segundo a PT International Nickel Indonesia Tbk (2005) os tipos de depósito de níquel e
suas respectivas características são:
•
•
Depósitos de níquel sulfetado
–
Níquel como níquel sulfetado: pentlandita, milerita;
–
Minérios de níquel processados através de moagem e fusão;
Depósitos de níquel laterítico (ver Figura 2.12).
–
Depósitos de óxido de Ni: Ni como hidróxido na zona ferruginosa;
–
Depósitos de silicato de argila: Ni como silicato de argila;
–
Depósitos de silicato hidratado: Ni como silicato hidratado no saprólito;
–
Minérios de níquel processados através de pirometalurgia (fusão) ou
hidrometalurgia (lixiviação);
–
90% do níquel são processados por métodos pirometalúrgicos.
FIG. 2.12 Depósito de laterítas de níquel mundial.
Fonte: PT International Nickel Indonesia Tbk (2005).
44
A ocorrência do minério laterítico se dá numa região mais superficial, mais
especificamente a saprolítica. Seus depósitos são situados principalmente no Brasil, Cuba,
Austrália, Indonésia, Nova Caledônia e Filipinas, possuem teores médios de níquel em torno
de 1,95% e teores de óxido de ferro acima de 24%, além da presença de cobalto e magnésio
(BNDES, 2000).
O níquel é um metal muito usado sob a forma pura para fazer a proteção de peças
metálicas, pois oferece grande resistência à oxidação. Suas principais aplicações são em ligas
ferrosas e não-ferrosas para consumo no setor industrial, em material militar, em moedas, em
transporte/aeronaves, em aplicações voltadas para a construção civil e em diversos tipos de
aços especiais, altamente resistentes à oxidação, como os aços inoxidáveis, bem como em
ligas para o fabricação de imãs (metal Alnico), em ligas elétricas, magnéticas e de expansão,
ligas de alta permeabilidade, ligas de cobre-níquel, tipo níquel-45, e em outras ligas nãoferrosas. A niquelagem de peças é feita por galvanoplastia, usando banhos de sais de níquel
(LUZ et al., 2010).
O Brasil é o sétimo maior produtor de níquel com aproximadamente 85.000 toneladas em
2008. A Rússia é a maior produtora com 19% do volume total, seguida pelo Canadá com
15%, Austrália com 11% e Indonésia com 9% (USGS/DNPM apud IBRAM, 2013).
Os jazimentos de níquel descobertos no Brasil são representados por minérios silicatados,
que provêm da alteração de rochas muito básicas como peridotitos (é uma rocha ígnea de grão
grosseiro, composta basicamente, sobretudo por olivina, com ou sem outros minerais máficos,
com pouco ou nenhum feldspato, pertence ao tipo de rocha basáltica – Dicionário de
Mineralogia e Gemologia). O intemperismo mobiliza o níquel sob a forma de silicato
hidratado, e o concentra em fissuras da rocha em processo de alteração, trazendo-o para a
superfície. Nas jazidas deste tipo encontra-se na parte superior uma camada de laterita
niquelífera e mais abaixo, geralmente, há uma zona enriquecida à custa da rocha subjacente
que vai depois empobrecendo à medida que o níquel se desloca para superfície. Nas jazidas
são encontradas calcedônias que indicam ações hidrotermais provavelmente relacionadas aos
pegmatitos (rocha ígnea de granulação extremamente grosseira que ocorre em geral, nas
margens de grandes corpos de rocha intrusiva, sua composição é variável geralmente granítica
- Dicionário de Mineralogia e Gemologia). O processo de alteração dos peridotitos pode ser
atribuído a ações hidrotermais além do intemperismo (BNDES, 2000).
Os minérios sulfetados possuem em sua composição, além do níquel, sulfetos de cobre,
cobalto e ferro, assim como alguns metais valiosos (platina, prata e ouro) e enxôfre, utilizado
45
para a produção de ácido sulfúrico. Originados em camadas subterrâneas abaixo da região
saprolítica, os depósitos de minério sulfetado correspondem atualmente a cerca de 20% das
reservas de níquel do ocidente, sendo principalmente encontrados na Austrália, seguidos por
Canadá, China, África do Sul e Zimbábue. Cerca de 55% da produção total de níquel são
oriundas dos minérios sulfetados. Recentemente foi descoberto um importante novo depósito
de minério sulfetado em Voisey Bay, no estado de Labrador, Canadá (BNDES, 2000).
2.3
CARACTERIZAÇÃO DO AGREGADO
O primeiro passo para a utilização de novos materiais na engenharia rodoviária deve ser a
correta caracterização dos mesmos, porque o conhecimento das suas peculiaridades é a chave
para a solução de eventuais problemas que venham a existir a partir da utilização destes novos
materiais. Por este motivo, os trabalhos envolvendo agregados alternativos e convencionais
no IME também envolvem a Seção de Engenharia de Materiais. A seguir são apresentados
alguns ensaios para a caracterização de agregados utilizados neste trabalho.
2.3.1 POR 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
46
químicos estão presentes naquele local e assim identificar em instantes que mineral está sendo
observado (DEGEO, 2013).
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.
MOURA (2000) utilizou o ensaio de MEV na amostra escória de cobre e verificou que a
escória de cobre possui forma esférica com superfície lisa e sem poros. YORIO (2008),
através de MEV, observou as partículas da escória de níquel de redução e constatou que ela é
composta em geral por partículas esféricas e algumas partículas irregulares com superfície lisa
e rugosa como ilustra a Figura 2.13.
FIG. 2.13 Micrografias das partículas da escória de níquel de redução feitas por MEV.
Esquerda: Vista com aumento de 20X. Direita: Vista com aumento de 100X.
Fonte: YORIO (2008)
SILVA (2010), através do MEV, observou a heterogeneidade da forma e dimensão dos
grãos que compõe a escória de aciaria, com predomínio de grãos na forma lamelar, placóides
e formações em filamentos. Concluiu que a composição de ferro presente em todos os pontos
analisados contribui para a elevada densidade do material.
DUARTE et al., (2003) utilizaram as imagens eletrônicas de MEV, associadas a dados
químicos semi-quantitativos de EDS, em estudos gemológicos e obtiveram com as imagens
eletrônicas de varredura uma observação detalhada da morfologia das inclusões. As análises
de EDS fornecem uma estimativa composicional, conferindo uma precisão que não era
possível através de outras técnicas tradicionais.
Esses autores citaram a facilidade na seleção e preparação das amostras, uma vez que é
possível utilizar desde fragmentos de amostras brutas não polidas até lâminas delgadas,
47
inclusive amostras lapidadas se for necessário. Como é um método não destrutivo, as
amostras podem ser arquivadas para estudos posteriores ou direcionadas para outras análises
complementares. A facilidade de preparação das amostras para análise e a rapidez na
aquisição de dados conferem ainda um baixo custo a este método de análise.
2.3.2 POR DIFRAÇÃO DE RAIO-X
Os Raios-X são muito importantes no desenvolvimento de novos materiais. Eles são uma
forma de radiação eletromagnética que possuem elevadas energias e curtos comprimentos de
onda. É uma técnica usual de difração que emprega uma amostra pulverizada, que consiste em
muitas partículas finas e aleatoriamente orientadas, expostas a uma radiação X
monocromática (CALLISTER JR, 2002).
DA SILVA (2011) explicou como é feito o estudo dos materiais por difração de Raio-X.
Em qualquer estudo sobre as propriedades de um determinado material, quase sempre, o
primeiro passo, e talvez o mais importante, é a determinação de suas estruturas cristalinas, já
que diversas propriedades estão intimamente ligadas
à maneira como os átomos estão
dispostos pelo material.
Para ALBERS et al., (2002), dentre as várias técnicas de caracterização de materiais, a
técnica de difração de raio-X é a mais indicada na determinação das fases cristalinas presentes
em materiais cerâmicos. Isto é possível porque na maior parte dos sólidos (cristais), os átomos
se ordenam em planos cristalinos separados entre si por distâncias da mesma ordem de
grandeza dos comprimentos de onda dos raio-X. Ao incidir um feixe de raio-X em um cristal,
o mesmo interage com os átomos presentes, originando o fenômeno de difração.
ALBERS et al., (2002) concluíram que o procedimento para identificação de
argilominerais por difração de raio-X permite a identificação rápida e confiável dos
argilominerais comumente presentes em materiais argilosos no país.
SANTOS et al., (2012) caracterizaram materiais pedregulhosos utilizados em
pavimentação com a ajuda do ensaio de difração de raio-X para verificação da composição
mineralógica. Concluíram que a composição mineralógica, obtida por meio de ensaios de
difração de raio-X das lateritas estudadas, indicou uma predominância de hematita e goethita,
confirmando o elevado caráter ferruginoso destes materiais. O tipo de mineral composto no
agregado pode influenciar na resistência do material.
48
NÓBREGA (2007) também utilizou o ensaio de difração de raio-X para identificar a
composição mineralógica da escória de manganês e de acordo com a análise química da
amostra apresentada conseguiu concluir que possivelmente a amostra está livre da
desintegração causada pelos óxidos de cálcio e magnésio.
MASUERO et al., (2000) utilizaram o ensaio de difração de raio-X como técnica de
análise para determinação do estado físico das escórias (cristalino ou amorfo) e a identificação
e determinação das quantidades relativas das fases presentes. Foram identificados os seguintes
compostos: Periclase (MgO), Wustita (FeO), Larnita, Wollastonita (CaSiO3), Óxido de Cálcio
(CaO), Larnita (Ca2SiO4) e Clinocloro (Mg,Al,Fe)4 O10(OH)8.
A investigação da composição química de materiais através de raio-X tem sido muito
utilizada por pesquisadores em diversas áreas. GARCIA et al., (2011), por exemplo,
compararam qualitativamente a composição química do cimento de Portland e o cimento
MTA-Angelus® (Mineral Trióxido Agregado) pela análise da difração de raio-X para
conhecer seu nível toxicológico, bastante utilizado em perfurações radiculares e obturações
retrógradas, devido a suas excelentes propriedades de selamento e biocompatibilidade, uma
vez que a produção industrial do cimento de Portland parece não ter condições salubres
suficientes para a aplicabilidade clínica do material. Na comparação entre os dois tipos de
cimentos, concluíram que qualitativamente o cimento de Portland e o MTA são muito
semelhantes entre si quanto aos seus elementos químicos.
2.3.3 POR MICROSCOPIA ÓPTICA
O objetivo da microscopia é a obtenção de imagens ampliadas de um objeto, que nos
permitam distinguir detalhes não revelados a olho nu .
A avaliação microscópica deverá indicar características como granulação, textura,
estrutura e também as microfissuras, presença de vazios ou poros (BERNUCCI et al., 2007).
CALLISTER JR. (2002) abordou os preparos que se devem ter com as amostras para
avaliação de microscopia óptica. Um deles é a preparação da amostra por ataque químico,
onde a microestrutura é revelada mediante aplicação de um tratamento de superfície que usa
um reagente químico apropriado, muitas vezes utilizado para investigações do tipo
metalográficas. COLPAERT (2008) detalhou a preparação da amostra para este tipo de
49
ensaio. E explicou que o microscópio óptico é utilizado para estudar a microestrutura do
material; e os sistemas óticos e de iluminação são seus elementos básicos.
Ainda, COLPAERT (2008) discutiu as principais técnicas de observação da
microestrutura de amostras. Uma delas é a avaliação ao microscópio sem ataque a qual foi
utilizada nesta pesquisa. Esta técnica tem a função de avaliar características estruturais que
são visíveis nesta condição, tais como inclusões não metálicas, grafita, trincas, porosidade,
entre outros. Este tipo de observação sem ataque químico na amostra para avaliação é muito
mais claro e objetivo e a ausência das informações produzidas pelo ataque evita confusão de
análise.
2.3.4 POR AIMS (AGGREGATE IMAGING SYSTEM)
É um sistema para avaliação da angularidade do agregado pouco utilizado no Brasil. É de
conhecimento que apenas o Centro de Pesquisas da Petrobras (CENPES) e a Universidade
Federal do Ceará (UFC) possui este equipamento.
Recentemente, BESSA (2012) avaliou o potencial do uso do Processamento Digital de
Imagens na análise das propriedades de forma, angularidade e textura dos agregados
provenientes de fontes distintas e na análise da estrutura interna de misturas asfálticas
compostas por esses agregados. Em uma de suas conclusões, observou que a utilização do
AIMS na caracterização de agregados é importante para se obter uma análise mais completa e
detalhada dos parâmetros de forma, de angularidade e de textura, uma vez que é possível obter
não só uma média de valores, mas também distribuições de propriedades.
O IDEA (2003) descreveu o conceito do sistema AIMS, que tem o objetivo de analisar a
forma, angularidade, textura dos agregados. Agregados com tamanhos de 37,5 mm a 150 mm
também podem ser analisados usando este sistema. Comentou também que esta metodologia
oferece várias vantagens sobre os métodos atuais utilizados na prática. Ele baseia-se na
distribuição de características da forma de uma amostra global, em vez de valores médios
destas características. A forma de agregado graúdo é determinada com base na análise
tridimensional de partículas, o que permite distinguir entre plana, partículas alongadas, ou
plana e alongada.
BATHINA (2005) citou que o Aggregate Imaging System (AIMS) é um dos métodos de
teste que se mostrou ser bem sucedido em medir com precisão as características de agregação.
É um método de teste capaz de medir as características físicas de agregados grosseiros e finos.
50
Este método de teste sofisticado foi concebido para ser suficientemente versátil e medir a
distribuição de forma, angularidade e textura de vários tamanhos de agregados. A qualidade é
avaliada pela medida da repetibilidade, reprodutibilidade e sensibilidade das medições de
AIMS.
AIMS é considerado um grande avanço tecnológico sobre os métodos correntes
utilizados na prática para a medição de forma agregada. São duas as áreas principais na
engenharia de pavimentos que o AIMS pode beneficiar. A primeira está incorporada às
propriedades de forma agregada para o procedimento de projeto de misturas asfálticas a
quente. As propriedades agregadas controlam sua interação com o ligante asfáltico e
consequentemente, influenciam o projeto da volumétrica da mistura. A segunda área é o
controle de qualidade / garantia dos agregados. O sistema oferece um método automatizado
de fazer cumprir as especificações e assegurando propriedades consistentes. Por conseguinte,
pode contribuir para a criação de maior qualidade e de maior duração dos pavimentos, com
economia de grande parte devido à redução de requisitos para manutenção de pavimento e
restauração (MASAD, 2005).
MASAD & BUTTON (2000) investigaram dois métodos independentes que integram
vários aspectos de análise de imagens, apresentando as técnicas da quantificação da
angularidade e a textura dos finos. A primeira técnica baseia-se na alteração da forma do
agregado como é submetido a uma série de erosão-dilatação morfológica nas operações
(Figura 2.14). A segunda técnica utiliza a mudança de um objeto com a sua forma. Com estas
análises, concluíram que os dois métodos são capazes de capturar a forma agregada em duas
escalas diferentes. As técnicas de imagem oferecem uma abordagem unificada para descrever
a angularidade e textura do agregado.
FIG. 2.14 Ilustração do efeito de erosão e dilatação na amostra.
Fonte: MASAD & BUTTON (2000)
51
BATHINA (2005) avaliou a qualidade do sistema de imagem (AIMS) por meio da
análise da repetividade, reprodutibilidade e sensibilidade, e comparou com os resultados de
outros métodos de teste disponíveis. Demonstrou que este método é capaz de quantificar as
diferenças entre os agregados e pode ser usado para capturar a influência da mudança na fonte
de agregação ou de técnicas de produção em características de agregação.
AL-ROUSAN (2004) concluiu que o AIMS é o sistema mais completo capaz de medir as
características da forma de agregados, tanto grosso e fino. A avaliação baseou-se na repetição
da medição de precisão, na aplicabilidade dos vários tipos de agregados, na prontidão para a
implementação, em facilidade de utilização. A Figura 2.15 mostra os equipamentos que
compõem o sistema AIMS.
FIG. 2.15 Sistema de imagem do agregado (AIMS).
Fonte: AL-ROUSAN (2004)
52
3
MATERIAIS E MÉTODOS
No presente capítulo são apresentados os materiais utilizados e descrita a metodologia
utilizados neste trabalho que enfoca a utilização da escória de ferroníquel como um agregado
em pavimentação. É apresentada ainda uma descrição dos ensaios de caracterização a que
estes materiais foram submetidos.
3.1
MATERIAIS
3.1.1 ESCÓRIA DE FERRONÍQUEL
Através do projeto de pesquisa IME / SENAI intitulado “Estudos para utilização de
escória de ferroníquel das plantas de Barro alto e codemin na área de construção civil”, 4
Bags, contendo cerca de 400 kg, foram enviados da unidade de Barro Alto para o Laboratório
do IME. Esta amostra de escória ferroníquel foi a utilizada no presente trabalho.
Deve-se ressaltar que o estudo da escória de ferroníquel como emprego em pavimentação
já possui publicações da autora em SANTOS et al., (2012a); SANTOS et al., (2012b) e
SANTOS et al., (2013) todas pertinentes ao referido projeto.
As escórias de ferroníquel da redução possuem características peculiares em relação a
outras obtidas em processos de ferroníquel espalhados pelo mundo, sobretudo pelas
características do minério. A escória de ferroníquel da redução possui altos teores de sílica e
magnésio, podendo ser considerada um material membro do grupo das olivinas que são
constituídos por silicatos de magnésio e ferro. A olivina geralmente se apresenta com cor
verde oliva, daí o seu nome.
A Figura 3.1 ilustra a amostra de escória ferroníquel estudada neste trabalho com sua
tonalidade verde caracterizada pela sua composição química.
53
FIG. 3.1 Amostra da escória de ferroníquel de Barro Alto estudada com forma similar à areia.
Em Barro Alto a escória não é separada em estoques por lote de produção, existindo uma
pilha única, conforme ilustra Figura 3.2, que concentra toda a escória gerada no seu processo
produtivo. Caso essa escória fosse expansiva, essa situação não seria boa para a cura da
mesma, pois para que ocorra a hidratação de todo o material estocado, o ideal é ter formações
de pilhas baixas e separadas em lotes conforme a data de sua geração.
FIG. 3.2 Depósito da escória de ferroníquel na Planta de Barro Alto / GO.
54
Segundo a empresa, as operações de redução e refino são responsáveis pela quase
totalidade da produção de ferroníquel no país, aproximadamente 97,9% da produção nacional.
A empresa configura como uma das maiores produtoras mundiais do metal.
A mineradora ainda ressalta que quando a Planta estiver em regime normal de operação
serão geradas anualmente 1.800.000 t de escória da redução que, originalmente, serão
depositadas em barragens de rejeitos devidamente preparadas para estocar tal material. Tratase de um volume grande que envolve dispêndios como custo de transporte,
impermeabilização do terreno onde será destinada, entre outros.
A Figura 3.3 ilustra a quantidade de escória gerada no processo de produção do
ferroníquel e a de quantidade de escória que é comercializada para empresas fabricantes de
cimento. Observa-se que o consumo ainda é um pouco limitado pela empresa devido à
especificação do cimento possuir limitação do teor de magnésio em sua composição.
FIG. 3.3 Comparativo da geração da escória de ferroníquel com a quantidade vendida.
O ferroníquel é utilizado, principalmente, na indústria de aço-inox. Tanto na redução,
quanto no refino são geradas escórias de processo (ver Figura 3.4), sendo que o objeto deste
estudo é a escória do processo da redução, conforme já comentado.
55
FIG. 3.4 Processo de produção do ferroníquel realizado na Planta de Barro Alto.
A Figura 3.5 mostra as quantidades de escória da redução produzidas e o custo de
manuseio deste material para as duas unidades. Parte da escória da redução produzida na
Codemin é comercializada para empresas cimenteiras, todavia, esta quantidade é de apenas
12,4%.
FIG. 3.5 Croqui de localização da produção da escória de ferroníquel de Refino e Redução
nas unidades de Barro Alto e Codemin.
56
Em relação à escória do Refino, são produzidas 7.200 t por ano na Codemin e serão
produzidas 21.600 t por ano em Barro Alto.
A investigação da caracterização química da escória de ferroníquel estudada neste
trabalho foi feita por BRANDT (1997), que realizou os ensaios de lixiviação e espectograma
qualitativo da escória. A partir destes esaios foi possível apresentar na Tabela 3.1 os dados de
caracterização química da amostra bruta com os respectivos teores encontrados, nos ensaios
de lixiviação e solubilização.
TAB. 3.1 Caracterização da escória bruta ferroníquel de redução, lixiviação e solubilização.
Amostra Bruta
Parâmetros
Teores (% e ppm)
Silício
43,60%
Magnésio
0,36%
Alumínio
3,90%
Ferro
14,90%
Dureza Total
1,49%
em CaCO3
Dureza de Mg
1,49%
Cromo
1,30%
Níquel
0,14%
Titânio
0,15%
Manganês
0,34%
Nióbio
< 5,00 ppm
Cobre
106,00 ppm
Vanádio
184,00 ppm
Zircônio
27,00 ppm
Cobalto
66,00 ppm
Lixiviação
Teores (mg/l)
2,80
4,60
< 0,05
0,95
Solubilização
Teores (mg/l)
8,10
4,58
< 0,05
0,19
26,41
26,41
18,92
< 0,05
< 0,02
< 0,01
< 0,11
< 0,10
< 0, 02
< 0,01
< 0,01
< 0,10
18,86
< 0,05
< 0,02
< 0,01
< 0,05
< 0,10
< 0,02
< 0,01
< 0,01
< 0,10
Fonte: Relatório de Ensaio cedido pela empresa Anglo American.
A Tabela 3.2 apresenta os valores de caracterização qualitativa da massa bruta de escória
de ferroníquel de redução, onde indica a maior e menor concentração dos constituintes
químicos presentes na amostra analisada e alguns traços da composição química mínima
encontrada.
TAB. 3.2 Análise de espectograma para a escória ferroníquel de redução.
Escória
Ferroníquel de
Redução
Maiores constituintes
concentração: >5%
Menores constituintes
concentração: < 5% e > 0,1%
Silício, Magnésio, Ferro
Alumínio, Cromo, Cálcio
Níquel, Titânio, Manganês, Nióbio, Cobre,
Vanádio, Zircônio, Cobalto
Traços: Concentração: < 0,1%
Fonte: Relatório de Ensaio enviado pela empresa Anglo American.
57
Segundo a norma ABNT NBR 10004 (2004), os resíduos podem ser classificados em três
classes: Resíduos classe I – perigosos; Resíduos classe II – não inertes; e Resíduos classe III –
inertes.
Dentro deste contexto, a análise da escória de ferroníquel indicam em sua composição
teores relevantes de metais tóxicos/perigosos, como o níquel, cromo, cobre e vanádio, cuja
classificação deste resíduo é do tipo classe II – inertes, pois nenhum dos constituintes
apresenta concentração acima dos valores estabelecidos na ABNT NBR 10004 (2004)
(Listagens 7 e 8). Pode-se considerar que os metais encontram-se na forma não passível de
lixiviação e solubilização (BRANDT, 1997).
Para os ensaios realizados no IME a coleta da escória de ferroníquel de redução seguiu o
seguinte procedimento de amostragem na planta de Barro Alto.
Como a disposição das escórias são feitas em pilhas, as amostras foram retiradas em 03
(três pontos) (topo, meio e base), iniciando-se as coletas a partir do topo, conforme
apresentado na Figura 3.6. Esta amostragem foi efetuada em 05 (cinco) pontos distintos de
cada depósito, representados nesta figura pelas letras A, B, C, D e E.
(1A)
(1B)
FIG. 3.6 Croqui da vista de cima da pilha (1A). Corte das pilhas dos resíduos (1B).
Em seguida a escória de ferroníquel de redução foi levada ao Laboratório de Ligantes e
Misturas Betuminosas do Instituto Militar de Engenharia (IME) no Rio de Janeiro, para a
realização dos ensaios de caracterização tradicional de agregados e execução das demais
atividades pertinentes ao projeto.
58
3.1.2 AGREGADOS PÉTREOS
Os agregados pétreos utilizados neste estudo para compor a produção de misturas dos
traços 1, 2 e 3 são provenientes da usina de asfalto da CRT (Concessionária Rio Teresópolis
S/A) que, desde 22 de março de 1996, administra os 142,5 quilômetros da Rio-TeresópolisAlém Paraíba (BR-116/RJ), no Estado do Rio de Janeiro. O trecho sob a concessão da CRT
abrange a região onde estão os municípios de Duque de Caxias (a partir do entroncamento
com a BR-040/RJ), Magé, Guapimirim, Teresópolis, São José do Vale do Rio Preto e
Sapucaia, indo até a divisa com Minas Gerais, próximo à cidade de Além Paraíba.
Logicamente não se pretende utilizar estes agregados na prática regional de Goiás,
entretanto, não houve definição a respeito do material a ser efetivamente empregado na
prática. Optou-se então por se utilizar um agregado disponível no laboratório do IME.
Considerando a possibilidade de execução de um trecho experimental em Niquelândia /
GO, também foram utilizados agregados locais da Empresa ONA para a execução do traço 4
de mistura asfáltica.
3.1.3 LIGANTES ASFÁLTICOS
Para o desenvolvimento do estudo com ligantes asfálticos, utilizaram-se o CAP 30/45 e o
CAP 50/70 provenientes da REDUC (Refinaria de Duque de Caxias), que é hoje a mais
completa e complexa refinaria do sistema Petrobras, tendo sido inaugurada em 1961, com
apenas seis unidades, além da casa de força. Localiza-se na Rodovia Washington Luís, km
113,7, no distrito de Campos Elísios, município de Duque de Caxias. O complexo industrial
da refinaria é distribuído numa área de aproximadamente 13 km² e é responsável por cerca de
4,8 bilhões de reais por ano em impostos pagos ao governo. Um total de 52 produtos são
comercializados por esta refinaria, dentre estes óleos básicos para lubrificantes, diesel,
gasolina, GLP, nafta, querosene de aviação, parafinas, óleo combustível e aguarrás.
Para efeito de tentativa, também foi utilizado o asfalto modificado por TLA (Trinidad
Lake Asphalt), somente utilizado no ensaio de adesividade com a escória de ferroníquel, cujo
resultado se encontra no Capítulo 4.
O asfalto modificado por TLA é proveniente da empresa Betunel e é resultado da
modificação do ligante asfáltico nacional com asfalto natural oriundo da jazida (lago) da ilha
59
de Trinidad. Esse novo produto tem características peculiares e, quando utilizado em misturas
asfálticas, as torna resistentes à deformação permanente, fadiga e ações de combustíveis. O
TLA é um modificador de asfaltos amplamente utilizado nos Estados Unidos, Europa e Ásia.
Foi bastante empregado na China durante a construção da infraestrutura dos Jogos Olímpicos
de Pequim.
3.2
PROGRAMA EXPERIMENTAL
Os ensaios que compuseram o programa experimental deste trabalho foram:
1ª fase: Realização dos ensaios para caracterização da escória de ferroníquel, através de
análise do MEV e EDS, raio-X, microscopia óptica, granulométrica, densidade real e
aparente, absorção, adesividade, (AIMS) e equivalente de areia. Os ensaios de Abrasão Los
Angeles e Impacto Tréton não foram necessários serem realizados devido à granulometria
diminuída da escória (agregado miúdo).
2ª fase: Realização da dosagem Marshall de misturas tipo areia asfalto usinada a quente
(A.A.U.Q.) e concreto asfáltico usinado a quente (C.A.U.Q.).
- A.A.U.Q. (Traço 1): com o uso de 100% de escória de ferroníquel como agregado (faixa A);
- A.A.U.Q. (Traço 2): com o uso de 60% de escória de ferroníquel, 37% areia e 3% cimento
(faixa A);
- C.A.U.Q. (Traço 3): com o uso de 60% de escória de ferroníquel, 30% brita 1, 7% pedrisco,
3% cimento (faixa C).
- C.A.U.Q. (Traço 4) – Trecho Experimental: com uso de 40% de escória de ferroníquel, 22%
brita 1, 15% brita 0, 20% Pó Pedrisco e 3% Cimento.
3ª fase: Moldagem de corpos-de-prova de misturas asfálticas com o uso do ligante asfáltico no
teor de projeto, para a caracterização mecânica das misturas asfálticas confeccionadas com
escória de ferroníquel, através de ensaios de Resistência à Tração por Compressão Diametral
e Módulo de Resiliência.
4ª fase: Estudo comparativo dos resultados dos parâmetros volumétricos (dosagem Marshall)
e mecânicos das misturas confeccionadas. A Figura 3.7 ilustra os processos realizados para
alguns passos da dosagem Marshall.
60
FIG. 3.7 (a) (b) Mistura do CAP com a escória de ferroníquel. (c) Compactação do cp no
soquete Marshall. (d) Cp compactado.
3.2.1 ESQUEMA DOS ENSAIOS
As Tabelas 3.3 a 3.5 apresentam os ensaios que foram realizados nos agregados (Escória
de Ferroníquel, Brita 1, Pedrisco), os ligantes asfálticos CAP 50/70, CAP 30/45 e asfalto
modificado por TLA e nas misturas confeccionadas em laboratório pelo método Marshall.
Para os agregados foram realizados os ensaios constantes na Tabela 3.3, enquanto para os
ligantes e as misturas asfálticas, na Tabela 3.4. Para as misturas solo e escória a Tabela 3.5
reúne os ensaios realizados.
61
TAB. 3.3 Relação dos ensaios realizados nos agregados e respectivas normas adotadas.
Físicos
Escória de
Ferroníquel
Químicos
Brita 1
Físicos
Pedrisco
Físicos
Granulometria
Densidade Real
Absorção e Massa Específica
Adesividade
AIMS
MEV e EDS
Difração Raio-X
Microscopia Óptica
Granulometria
Densidade Real
Densidade Aparente
Absorção e Massa Específica
Adesividade
Abrasão Los Angeles
Durabilidade
Impacto Tréton
Granulometria
Densidade Real
DNER-ME 083/98
DNER-ME 084/95
DNER-ME 195/97
DNER-ME 079/94
FHWA/TX-05/5-1707-01-1
DNER-ME 083/98
DNER-ME 084/95
DNER-ME 117/94
DNER-ME 081/98
DNER-ME 079/94
DNER-ME 035/98
DNER-ME 089/94
DNER-ME 399/99
DNER-ME 083/98
DNER-ME 084/95
TAB. 3.4 Ensaios realizados com os ligantes e misturas asfálticas e respectivas normas
adotadas.
CAP 30/45
CAP 50/70
Asfalto Modificado
por TLA
Misturas Asfálticas:
AAUQ e CAUQ
Penetração
Ductilidade
Viscosidade brookfield
Ponto de Fulgor
Ponto de Amolecimento
RTFOT
Dosagem Marshall
RT
MR
Dano por Umidade Induzida
DNER-ME 003/99
DNER-ME 163/94
NBR 9277/08
NBR 11341
NBR 6560
ASTM D2872
DNER-ME 043/95
DNER-ME 138/94
DNIT-ME 135/2010
AASHTO T 283
TAB. 3.5 Ensaios realizados com a mistura solo e escória.
Mistura Solo e Escória
de Ferroníquel
Ensaio de Expansão por CBR
MR
Compactação Proctor
DNER-049/94
DNIT-ME 134/2010
NBR 7182/1986
Onde: RT é a Resistência à Tração Estática e MR é o Módulo de Resiliência, sendo
ambos por compressão diametral.
62
3.2.2 DESCRIÇÃO DA METODOLOGIA PARA ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO
DA ESCÓRIA E SOLOS
3.2.2.1 POR MEV (MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA) E EDS
As amostras de escória de ferroníquel, coletadas para a realização deste ensaio,
obedeceram aos seguintes critérios de amostragem:
- Amostragem Aleatória Simples: este tipo de amostragem representa todos os elementos
da população. Consiste em coletar as amostras de escória de ferroníquel após o processo de
quarteamento e pulverização. Em seguida, 5 gramas das amostras selecionadas, foram
inseridas no equipamento para realização do ensaio.
- Amostragem por Conveniência: este tipo de amostragem não é representativo da
população. Como os grãos da escória de ferroníquel variam muito pela cor e superfície,
optou-se por este tipo de amostragem, pois através deste ensaio seria possível identificar se a
composição química dos diferentes grãos da escória de ferroníquel variava. Definido este
procedimento, um total de três grãos da amostra de escória de ferroníquel, uma de cada cor,
foram separadas e submetidas ao ensaio.
Após inserir as amostras no equipamento, foram geradas imagens da amostra e
respectivos gráficos com a composição química de cada amostra (ver imagens no Capítulo 4,
item 4.1.1 deste trabalho).
3.2.2.2 POR DIFRAÇÃO DE RAIO-X
Para este ensaio, a amostra selecionada foi a mesma do tipo e mesma quantidade (5g)
utilizada para o ensaio de MEV em amostragem aleatória simples, pulverizada, onde a
amostra é representativa da população. Em seguida, a amostra foi colocada em uma lâmina
petrográfica (ver Figura 3.8) e inserida no equipamento de raio-X. Na sequência, foi gerado o
gráfico com a composição mineralógica da amostra.
63
FIG. 3.8 Escória de ferroníquel pulverizada submetida ao ensaio de Difração Raio-X.
3.2.2.3 POR MICROSCOPIA ÓPTICA
As amostras selecionadas para este ensaio foram quarteadas e colocadas em um
recipiente de vidro e submetidas à análise da lente com o aumento de 40 vezes. A quantidade
utilizada foi de 50g. As imagens capturadas neste ensaio se encontram no capítulo 4 item
4.1.3.
3.2.2.4 POR AIMS
As amostras de escória ferroníquel foram encaminhados ao CENPES (Centro de
Pesquisas Leopoldo Américo Miguez de Mello), que é um dos Centros de Pesquisa da
Petrobras. O ensaio fez parte do trabalho de GONDIM (2012) / aluno de Iniciação à Pesquisa
do Instituto Militar de Engenharia.
Neste ensaio, a escória de ferroníquel passou por uma caracterização de sua forma,
angularidade, esfericidade e textura através do AIMS.
As amostras foram separadas em faixas granulométricas através do ensaio de
granulometria e levadas à estufa por 24h para realização do ensaio.
No ensaio de peneiramento foram separadas pelo menos 100 unidades do agregado de
escória ferroníquel retidas nas peneiras #4 (4,75 mm), para o ensaio no AIMS com agregados
miúdos (GONDIM, 2012).
O ensaio consiste na disposição das unidades do agregado na bandeja de análise interior
do equipamento. As unidades da amostra do agregado de escória foram dispostas de maneira
que não ficassem muito próximas, a fim de que o equipamento de microscopia realizasse a
64
leitura da imagem. A Figura 3.9 ilustra a disposição das amostras de escória ferroníquel na
bandeja para a realização do ensaio no equipamento AIMS.
FIG. 3.9 Disposição do agregado na bandeja para o ensaio no equipamento AIMS do
CENPES / Petrobras.
Fonte: GONDIM (2012)
3.2.2.5 MEDIDA DE EXPANSÃO NO ENSAIO DE CBR
Foram separadas três amostras de solo-escória, nas seguintes condições:
- 4750g de escória ferroníquel (79%)
- 1250g de solo laterítico (21%)
O solo laterítico utilizado foi oriundo do Acre, cuja caracterização geotécnica foi
realizada por CÓRDOVA (2011). Sua escolha se deve ao fato de ser muito pouco expansivo
(expansão ≤ 0,5%) e a quantidade de 21% de solo, somente foi utilizada para dar coesão à
mistura solo e escória para que o corpo-de-prova não se desintegrasse.
Os materiais foram peneirados na peneira de abertura 4,8 mm, secos ao ar e,
posteriormente homogeneizados com 200 ml de água até que se atingisse a umidade ótima,
definida pela experiência do operador. Na sequência, a mistura foi compactada com energia
Proctor Normal, sendo utilizados cilindros e compactador deste ensaio, e então, logo levada
para um tanque onde permaneceu imersa em água por 4 dias. A expansão foi medida a cada
24 horas. A Figura 3.10 ilustra os materiais que foram preparados para a execução do ensaio.
65
FIG. 3.10 (a) Solo utilizado por CÓRDOVA (2011). (b) Solo + escória de ferroníquel. (c) (d)
Homogeneização da mistura solo + escória para realização do ensaio de expansão.
É importante ressaltar que não foi possível a compactação do corpo-de-prova contendo
somente escória de ferroníquel, devido à falta de coesão. Por este motivo foi necessária a
mistura com solo.
3.2.2.6 MÓDULO RESILIENTE PARA MISTURA SOLO E ESCÓRIA
Ao longo do período de realização desta pesquisa foram surgindo outras opções para a
utilização da escória de ferroníquel como material de pavimentação. Uma das mais
promissoras foi a estabilização granulométrica de bases.
Dentro desta ideia, foram moldados dois corpos-de-prova para realização do ensaio de
módulo resiliente com mistura solo e escória ferroníquel, porém, um dos corpos-de-prova ao
ser manuseado para a realização do ensaio se quebrou.
Na realização deste ensaio foi separada uma amostra de solo da jazida AES-06 localizada
em Carajás/MA, cujos resultados de classificação geotécnica são apresentados por
DELGADO (2012). Para o ensaio foi moldado um corpo-de-prova com dimensão 10 cm de
diâmetro por 20 cm de altura, contendo 50% de escória de ferroníquel e 50% de solo. O
66
corpo-de-prova foi submetido ao ensaio no equipamento triaxial dinâmico no Laboratório de
Geotecnia da COPPE/UFRJ. A Figura 3.11 ilustra a preparação da mistura solo e escória de
ferroníquel antes de ser submetido ao ensaio de MR.
FIG. 3.11 (a) Preparação da mistura solo (50%) e escória ferroníquel (50%). (b) Solo e
escória ferroníquel.
Os ensaios de módulo resiliente das misturas asfálticas, resistência à tração por
compressão diametral e ensaio de dano por umidade, foram realizados conforme as normas
para cada ensaio e o quantitativo dos corpos-de-prova utilizados e local de realização dos
ensaios estão descritos no próximo item.
3.2.3 QUANTITATIVOS DOS ENSAIOS REALIZADOS
A Tabela 3.6 a Tabela 3.12 apresentam os tipos, número de ensaios que foram realizados
com os materiais utilizados e as misturas confeccionadas, bem como o local de realização
desses ensaios.
67
TAB. 3.6 Quantitativos dos ensaios realizados com os agregados e respectivos locais de
ensaio.
Descrição
Granulometria
Abrasão Los Angeles
Absorção
Densidade Real – Miúdo
Densidade Real – Graúdo
MEV
Difração Raio-X
Microscopia Óptica
Adesividade
Escória
6
2
2
3
1
1
4
Brita 1
2
1
2
2
1
Pedrisco
2
2
2
-
Total
10
1
3
4
2
3
1
1
5
Local de Realização do Ensaio
Lab. Ligantes – IME
Lab. Concreto – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ciência Materiais – IME
Lab. Ciência Materiais – IME
Lab. Ciência Materiais – IME
Lab. Ligantes – IME
TAB. 3.7 Quantitativos dos ensaios realizados com os ligantes e respectivos locais de ensaio.
Descrição
CAP 30/45* CAP 50/70
Penetração
1
1
Viscosidade Brookfield
1
1
Ponto de Amolecimento
1
1
Ponto de Fulgor
1
1
Ductilidade
1
1
RTFOT
1
1
*Somente foram utilizados no ensaio de adesividade.
TLA*
1
1
1
1
1
1
Total
3
1
3
3
3
3
Local de Realização do Ensaio
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
TAB. 3.8 Quantitativos dos ensaios realizados com as misturas asfálticas e respectivos locais
de ensaio.
Descrição
Marshall
Teor de Projeto
Estabilidade Marshall
Dano por Umidade Induzida
RT Comp. Diametral
MR
Cp’s reservas
Traço 1
9
30
2
6
4
4
2
Traço 2
9
30
2
6
4
4
2
Traço 3
9
30
2
6
4
4
2
Total
27
90
6
18
12
12
6
Local de Realização do Ensaio
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Asfalto – COPPE
Lab. Asfalto – COPPE
Lab. Ligantes – IME
TAB. 3.9 Quantitativos dos ensaios realizados com mistura solo e escória ferroníquel e
respectivos locais de ensaio.
Descrição
Expansão no ensaio de CBR
MR
Solo e Escória
3
1
68
Local de Realização do Ensaio
Lab. Solos – IME
Lab. Geotecnia – COPPE
TAB. 3.10 Quantitativos dos ensaios realizados com agregados do Trecho Experimental e
respectivos locais de ensaio.
Descrição
Granulometria
Abrasão Los Angeles
Absorção
Densidade Real – Miúdo
Densidade Real – Graúdo
Adesividade
Escória
3
2
1
Brita 1
2
1
2
2
1
Brita 0
2
1
1
Pó Pedrisco
2
1
-
Local de Realização do Ensaio
Lab. Ligantes – IME
Lab. Solos – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
TAB. 3.11 Quantitativos dos ensaios realizados com o CAP 50/70 do Trecho Experimental e
respectivos locais de ensaio.
Penetração
Viscosidade Brookfield
Ponto de Amolecimento
Ponto de Fulgor
RTFOT
Dutilidade
RTFOT
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
2
2
2
2
2
2
2
TAB. 3.12 Quantitativos dos ensaios realizados com corpos-de-prova do Trecho
Experimental e respectivos locais de ensaio.
Descrição
Marshall
Teor de Projeto
Estabilidade Marshall
RT Comp. Diametral
4,5%
3
1
2
5,5%
3
1
2
6,5%
3
1
2
69
TP = 4,55%
3
1
2
Local de Realização do Ensaio
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
Lab. Ligantes – IME
4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A seguir serão apresentados resultados dos ensaios conduzidos com os materiais
coletados.
Primeiramente são apresentados os resultados de caracterização da escória de ferroníquel
englobando os ensaios de MEV (Microscópio Eletrônico por Varredura) com EDS (Eletron
Diffraction Spectroscopy), difração de Raio-X, Microscopia Óptica. Através destes ensaios
foi possível determinar a composição química e formato dos grãos, composição mineralógica
da amostra e analisar a porosidade da superfície dos grãos. Comenta-se a influência destas
características quanto ao emprego da escória de ferroníquel de redução como um material em
substituição ao agregado miúdo em pavimentação.
Na sequência, serão apresentados os ensaios tradicionais físicos e mecanísticos realizados
com a escória de ferroníquel de redução em misturas asfálticas e mistura com solo.
4.1
CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA ESCÓRIA DE FERRONÍQUEL
A caracterização de um agregado é relevante principalmente quando trata-se de um
material alternativo. Sua composição química vai determinar o comportamento e reação deste
material em contato com outro agregado e com agentes agressivos externos presentes no meio
ambiente. Em especial, a água em alguns casos, ocorrem reações químicas que provocam a
degradação mais rápida seja de um concreto, pavimentos ou qualquer outra estrutura de obra
civil.
4.1.1 POR MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
A seguir são mostrados a caracterização química da escória de ferroníquel de redução por
espectograma realizados no Laboratório de Ciência dos Materiais do IME, sendo os detalhes
da preparação das amostras utilizadas neste ensaio, descritos no Capítulo 3.
A Figura 4.1 ilustra a imagem capturada pelo MEV da fração fina da escória “em pó”
(Amostra 1) com o aumento de 180 vezes, de forma que é possível observar a
70
hetereogeniedade dos finos da amostra pelo diferente contraste na coloração das partículas,
observação que pode ser confirmada pela análise de sua composição química realizada neste
mesmo ensaio.
Grau de magnificação 180 vezes
FIG. 4.1 Micrografia (MEV) da fração fina da escória "em pó" - Amostra 1
A Figura 4.2 ilustra o espectro de EDS da amostra 1 de escória ferroníquel de redução.
FIG. 4.2 Espectro de EDS da escória de ferroníquel - Amostra 1
O espectro do EDS revela os dados qualitativos da composição química da escória de
ferroníquel encontrada na amostra 1.
71
A presença de O (Oxigênio) puro não se confirma no relatório quantitativo (ver Figura
4.3), pois o mesmo é encontrado em forma de óxido reagindo juntamente com o Mg, Si, Fe,
formando o MgO, SiO e FeO, sendo a amostra 1 composta basicamente por esses elementos.
Os demais elementos químicos MnO, CaO e Al2O3 aparecem na forma de traços, ou seja, em
pequenas quantidades.
A baixa proporção do óxido de cálcio (CaO) da amostra, ao contrário do observado nas
escórias de aciaria, pode ser o fator responsável pela baixa expansão deste tipo de escória.
Nas escórias de aciaria, é a transformação do óxido de cálcio em hidróxido, a partir da
disponibilidade do oxigênio na água, ou no ar, que é a responsável pela expansão do material.
FIG. 4.3 Relatório quantitativo do EDS da escória de ferroníquel - Amostra 1
A Figura 4.4 ilustra a imagem capturada pelo MEV de um grão da escória de ferroníquel
da Amostra 2, com o aumento de 50 vezes o seu tamanho original. Pode ser observado o
formato do grão desta amostra.
72
Grau de magnificação 50 vezes
FIG. 4.4 Micrografia (MEV) do grão da escória - Amostra 2
Em uma imagem mais ampliada, a Figura 4.5 com o aumento de 220 vezes da amostra 2,
é possível observar com melhor nitidez a interação que estava ocorrendo entre os óxidos na
amostra no momento em que esta sofreu o processo de solidificação.
Grau de Magnificação 220 vezes
FIG. 4.5 Micrografia (MEV) do grão da escória - Amostra 2
A Figura 4.6 ilustra o espectro de EDS contendo os dados qualitativos da composição
química da escória de ferroníquel da amostra 2.
73
FIG. 4.6 Espectro de EDS da escória de ferroníquel - Amostra 2
Assim como a amostra 1, sendo sua composição basicamente formada por SiO2, MgO e
FeO (ver Figura 4.7). Os outros elementos como Al2O3 e CrO são encontrados na forma de
traços.
FIG. 4.7 Relatório quantitativo do EDS da escória de ferroníquel - Amostra 2
E por fim, na amostra 3 última amostra selecionada para este ensaio, foi perceptível a
olho nu, a visualização de uma superfície mais lisa e a forma esférica, conforme pode ser
observada na imagem capturada pelo MEV da Figura 4.8 com o aumento de 50 vezes. Esta
verificação também foi constatada pelo ensaio de microscopia óptica e no ensaio do AIMS.
74
MOURA (2000) e YORIO (2008) fizeram a mesma observação com a escória de cobre
através do ensaio MEV.
Grau de magnificação 50 vezes
FIG. 4.8 Micrografia (MEV) do grão "esférico" da escória - Amostra 3
O espectro de EDS na Figura 4.9, ilustra-se os dados qualitativos dos elementos presentes
na amostra 3.
FIG. 4.9 Espectro de EDS da escória de ferroníquel - Amostra 3
75
A Figura 4.10 ilustra o relatório quantitativo gerado pelo EDS, evidenciando mais uma
vez, a composição química da escória de ferroníquel de redução era composta por SiO2, MgO,
Al2O3, (FeO na forma de traço).
Os demais elementos são encontrados na forma de traços NaO, CaO, Cr2O3 e NiO.
FIG. 4.10 Relatório quantitativo do EDS da escória de ferroníquel – Amostra 3
Uma justificativa para a ausência do níquel ou sua fração mínima encontrada nas
amostras de escória de ferroníquel, é a eficiência do processo produtivo da empresa que tem
como objetivo extrair o máximo do níquel que se obtém do minério e eliminar na escória
somente constituintes que não interessam ao processo de produção da liga ferroníquel.
4.1.2 ANÁLISE POR DIFRAÇÃO DE RAIO-X
O difratograma de raio-X obtido para a amostra de escória de ferroníquel revela uma
grande incidência de picos, indicando que a estrutura da escória é predominantemente
cristalina. O difratograma mostra a presença do mineral Laihunita [Fe2+Fe3+2(SiO4)2]. A
Figura 4.11 apresenta os registros difratométricos obtidos para a escória de ferroníquel.
76
FIG. 4.11 Difratograma da amostra de escória de ferroníquel.
BRANCO (2008) define a Laihunita como silicato de ferro – Fe3(SiO4)2, que ocorre em
cristais monoclínicos, tubulares ou prismáticos, 0,3 mm a 0,6 mm. É preto, opaco, com risco
marrom-claro, branco metálico a submetálico, fraca a moderadamente magnético. Tem
clivagens (100) a (010) perfeitas e (001) boa. Descoberto em depósitos de ferro metamórficos
em Lai-He (daí seu nome), na China.
De acordo com KITAMURA et al., (1984), Laihunita é um mineral tipo olivina
distorcida. Os autores estudaram a Laihunita através de difração de Raio-X, microanálise de
sonda-eletron e microscopia eletrônica analítica. Concluíram que a Laihunita é na verdade a
mistura de Laihunita e Magnetita, que são obtidas pela oxidação da Faialita.
A Faialita é um mineral do Grupo das Olivinas e foi nomeado por Gmelin em 1840 por
causa do tipo da localidade, Ilha do Faial (Ilha do Faial), Açores Distrito (Açores), Portugal. É
muito raro na natureza, mas comum na área da metalurgia em escórias de ferro (MINDAT,
2013). Na Tabela 4.1 são mostradas algumas características da Faialita.
77
TAB. 4.1 Características da Faialita.
Propriedade Física da Faialita
Vítreo, Gorduroso
Amarelo Esverdeado, Amarelo ou
Cor:
Marrom
Listra:
Incolor
Dureza (Mohs):
7
Cristalografia da Faialita
Sistema de Cristal:
Ortorrômbica
Propriedades Químicas de Faialita
2+
Fórmula:
Fe SiO
2
4
Elementos Essenciais:
Fe, O, Si
Impurezas Comuns:
Mn
Brilho
Fonte: (MINDAT, 2013)
Segundo LIMA (2004) a dureza de um mineral é definida como sendo a resistência que
ele apresenta ao ser riscado. Quanto mais forte for a ligação entre os átomos, mais duros são
os minerais, mesmo tendo a composição química idêntica.
O mineralogista alemão Frederich Mohs selecionou 10 minerais comuns para serem o
padrão de referência numa escala de dureza relativa. Como padrão de referência, a Tabela 4.2
descreve os valores relativos da escala Mohs para alguns minerais.
TAB. 4.2 Valores relativos da escala de Mohs.
Minerais
Talco
Gipso
Calcita
Fluorita
Apatita
Ortoclásio
Quartzo
Topázio
Corindon
Diamante
Mohs
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Fonte: (LIMA, 2004)
Conforme pode ser observado na TAB. 4.2, a dureza do mineral Faialita, é comparada à
dureza de um mineral Quartzo muito encontrado na fração da areia. A Figura 4.12 ilustra o
mineral Faialita.
78
FIG. 4.12 Agregado granular de Faialita.
Fonte: (FOTOMINER, 2013)
A identificação de um material do grupo das olivinas é especialmente importante porque
a olivina é um dos primeiros minerais a se alterar frente ao intemperismo, segundo a escala de
Gold Wish, GUIMARÃES (2013).
4.1.3 POR MICROSCOPIA ÓPTICA
A Figura 4.13 ilustra a amostra de escória de ferroníquel submetida ao ensaio de
microscopia óptica para análise da sua superfície e estrutura. É perceptível que o grão da
escória de ferroníquel possui alguns grãos com a superfície lisa, algumas rugosas. Não foram
observados poros nem fissuras e a forma dos grãos variando entre esférica e irregular.
A superfície lisa explica o resultado do ensaio de adesividade não satisfatório utilizando
somente o CAP 50 / 70 sem a adição de agente melhorador de adesividade (Dope), isso faz
com que a interação entre o ligante e agregado não ocorra causando o escorrimento do ligante
no agregado e a desagregação na mistura asfáltica. MARQUES (2001) denominou este tipo
de agregado como hidrofílicos, pois possui uma maior afinidade com a água que com o
cimento asfáltico.
Por outro lado, obteve-se um resultado satisfatório no ensaio de adesividade, utilizando o
CAP 50/70 modificado por agente melhorador de adesividade (Dope), cujo resultado será
apresentado ainda neste capítulo a partir da Tabela 4.8.
79
FIG. 4.13 Amostras de escória de ferroníquel submetidas ao ensaio de Microscopia Óptica
com aumento de 40 vezes.
Outra análise que pode ser feita neste ensaio é que não foi possível encontrar a presença
de poros nos agregados da amostra, fato que implica que a mistura asfáltica não absorverá
ligante, além da cobertura superficial que deve ter o agregado em uma mistura.
Observa-se na Figura 4.13 a semelhança da cor e o brilho vítreo também presentes no
mineral Faialita mostrado na Figura 4.12.
4.1.4 POR AIMS
Os resultados relativos à forma e à angularidade para os agregados miúdos, à
angularidade, à esfericidade e à textura para os agregados graúdos, estão representados nas
Figuras 4.14 a 4.17 e nas Tabelas 4.3 a 4.6, respectivamente.
80
4.1.4.1 FORMA
As análises de forma dos agregados são realizadas em 3D com medidas de raios curtos
(rC), intermediários (rI) e longos (rL). A partir de projeções da partícula obtidas através de
imagens capturadas pela câmera e o microscópio, dois dos raios das particulas podem ser
obtidos. A terceira dimensão é obtida utilizando-se a função auto foco do equipamento. A
distância entre a mesa e a câmera é determinada e tomada como referência, na sequência o
microscópio movimenta-se e foca na superfície da partícula. A diferença entre as duas
distâncias é tomada como a terceira dimensão da particula. Esta análise permite diferenciar
entre partículas alongadas ou lamelares e partículas alongadas e lamelares. Dois parâmetros
são calculados: esfericidade (Equação 1) e índice de forma (Equação 2). Valores de
esfericidade iguais a um (1.0) indicam que a partícula possui todas as dimensões iguais (esfera
perfeita). Valores de índice de forma igual a 0 (zero) também representam um círculo perfeito.
(CASTELO BRANCO et al., 2006).
Esfericidade =
(EQ.1)
Indice de Forma =
(EQ.2)
Onde:
Ɵ = ângulo direcional;
∆Ɵ = é a diferença de incremento do ângulo;
R = raio em diferentes direções.
Com relação ao índice de forma os agregados são classificados em:
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
circular (< 6.5)
semi-circular (entre 6.5 e 8.0)
semi-alongado (entre 8.0 e 10.5)
alongado (> 10.5)
81
FIG. 4.14 Distribuição cumulativa de partículas de agregados miúdos da escória de
ferroníquel quanto ao índice de forma.
TAB. 4.3 Parâmetros estatísticos dos agregados miúdos quanto ao índice de forma.
Agregado
1,18 mm (#16) Escória
0,60 mm (#30) Escória
0,30 mm (#50) Escória
Dimensão
1,18
0,6
0,3
Média
8,11
9,04
9,87
Desvio padrão
2,10
2,81
3,25
Quanto à forma, os agregados miúdos possuem classificação semi-alongadas com índice
de forma entre 8,0 e 10,5.
4.1.4.2 ANGULARIDADE
Angularidade pode ser definida como uma medida do quão pontiagudas são as “quinas”
das partículas. A angularidade é obtida através do método do gradiente. Este método baseia-se
no fato de que a velocidade em que a direção do vetor gradiente é mudada depende da
angularidade das partículas. Em partículas pontiagudas, o vetor muda rapidamente de direção,
em partículas arredondadas esta mudança se dar de forma mais lenta. Partículas angulares
apresentaram altos valores de índice de angularidade. O índice de angularidade é obtido
através da Equação 3 (CHANDAN et al., 2004 apud CASTELO BRANCO et al., 2006).
82
(EQ.3)
Onde:
i = é um ponto na borda da partícula;
N = é o número total de pontos na borda da partícula;
Ɵ = é o ângulo de orientação para os pontos de borda.
Quanto à angularidade os agregados são classificados com relação ao índice de
angularidade em:
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
angular (> 5.400)
sub-angular (entre 4.000 e 5.400)
sub-arredondado (entre 2.100 e 4.000)
arredondado (< 2.100)
A distribuição dos agregados miúdos quanto à angularidade e seus respectivos
parâmetros estatísticos (média e desvio padrão) estão dispostos na Figura 4.15 e Tabela 4.4.
FIG. 4.15 Angularidade para agregado graúdo e miúdo de escória ferroníquel.
83
TAB. 4.4 Parâmetros estatísticos dos agregados miúdos quanto à angularidade.
Agregado
4,75 mm (#4) Escória
1,18 mm (#16) Escória
0,60 mm (#30) Escória
0,30 mm (#50) Escória
Dimensão
4,75
1,18
0,6
0,3
Média
3378,4
4111,4
3804,5
3743,9
Desvio padrão
808,5
1368,6
1162,2
1207,2
Os agregados de escória da faixa granulométrica de 4,75 mm possui classificação da
angularidade sub-arrendondada (entre 2.100 e 4.000), enquanto os agregados de escória com
faixas granulométricas de 1,18 mm, 0,60 mm e 0,30 mm possuem classificação de
angularidade sub-angulares (entre 4.000 e 5.400). Vale ressaltar que se analisasse a
angularidade dos agregados acima apenas pela média aritmética dos valores, encontraria-se
uma classificação diferente para as escórias de faixa granulométrica de 0,6 mm e 0,30 mm. A
análise para a classificação é feita pela distribuição granulométrica representada no gráfico.
4.1.4.3 ESFERICIDADE
A equação para se calcular o índice de esferidade é mostrada na Equação 1.
A distribuição dos agregados miúdos quanto à esfericidade e seus respectivos parâmetros
estatísticos (média e desvio padrão) estão dispostos na Figura 4.16 e Tabela 4.5.
Com relação à esfericidade os agregados são classificados em:
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
alta esfericidade (> 0,8)
moderada esfericidade (entre 0,7 e 0,8)
baixa esfericidade (entre 0,6 e 0,7)
lamelar/alongado (< 0,6)
84
FIG. 4.16 Distribuição acumulativa de partículas do agregado miúdos quanto à esfericidade.
TAB. 4.5 Parâmetros estatísticos dos agregados miúdos quanto à esfericidade.
Agregado
4,75 mm (#4) Escória
Dimensão
4,75
Média
0,51
Desvio padrão
0,11
Quanto à esfericidade, o agregado de escória é classificados como lamelares/alongadas
(esfericidade < 0,6).
4.1.4.4 TEXTURA
Textura é definida como variações locais de intensidade de nível de pixels para uma
determinada imagem. As análises de textura são realizadas usando o método de Wavelets. O
índice de textura para cada agregado é obtido para um determinado nível de decomposição. A
média aritmética do quadrado dos coeficientes de Wavelet é calculada (Equação 4) (ALROUSAN et al., 2005 apud CASTELO BRANCO et al., 2006).
Indice de Texturan =
(EQ.4)
85
Onde:
n = é o nível em que a imagem foi decomposta;
N = é o número de coeficientes na imagem detalhada de textura;
i = representa as três direções de textura;
j = é o índice de coeficiente Wavelet.
A distribuição de partículas dos miúdos quanto à textura e seus respectivos parâmetros
estatísticos (média e desvio padrão) estão dispostos nas Figura 4.17 e Tabela 4.6.
Por último, com relação à textura são classificados com relação ao índice de textura em:
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
(v)
alta rugosidade (> 460)
moderada rugosidade (entre 350 e 460)
baixa rugosidade (entre 275 e 350)
liso (entre 165 e 275)
polido (< 165)
FIG. 4.17 Textura para agregados graúdos.
TAB. 4.6 Parâmetros estatísticos dos agregados graúdos quanto a textura.
Agregado
4,75 mm (#4) Escória
Dimensão
4,75
Média
238,6
Desvio padrão
91,6
Quanto à textura, o agregado de escória com faixa granulométrica de 4,75 mm foi
classificado como agregado de textura lisa (entre 150 e 275). A seguir as Figuras 4.18 a 4.20
86
ilustram as imagens do agregado escória de ferroníquel capturadas pelo ensaio realizado no
equipamento AIMS.
FIG. 4.18 Imagem do agregado escória de ferroníquel gerada pelo AIMS.
Angularidade da escória #50.
FIG. 4.19 Imagem do agregado escória de ferroníquel gerada pelo AIMS.
Angularidade da escória #30.
FIG. 4.20 Imagem do agregado escória de ferroníquel gerada pelo AIMS.
Angularidade da escória #16.
87
4.2
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DOS MATERIAIS UTILIZADOS
Na sequência serão apresentados resultados de caracterização física dos materiais
utilizados.
4.2.1 DOS AGREGADOS
Nas Tabelas 4.7 a 4.8 são apresentadas as características da escória de ferroníquel de
redução. A Figura 4.21 ilustra o ensaio de granulometria da escória sendo executado.
TAB. 4.7 Ensaio de granulometria da escória de ferroníquel.
Peneira
# (pol.)
1 1/2"
3/8"
n.º 4
n.º 10
n.º 40
n.º 80
n.º 200
(mm)
38
9,5
4,8
2
0,42
0,18
0,075
% Passante
Escória Ferroníquel
100,00
100,00
100,00
80,00
8,00
3,00
1,00
FIG. 4.21 Execução do ensaio de granulometria com a escória de ferroníquel.
Observa-se que a escória de ferroníquel teve 80% do material passante na peneira n°10.
Após o peneiramento do material na peneira n°40, 72% foram retidos, indicando segundo a
distribuição granulométrica (ver Figura 4.22) ser um agregado do tipo areia média à grossa,
com pouca porcentagem de pedregulhos e material fino.
88
A dimensão do grão da escória de ferroníquel torna-se favorável com relação à
expansibilidade. Segundo as recomendações propostas por (MONTGOMERY & WANG,
1991; MACHADO, 2000; PENA, 2004; RAPOSO, 2005 apud SILVA, 2010) uma das
possíveis alternativas para minimizar o problema de expansão do MgO, é a redução da
dimensão dos grãos para se obter o menor tamanho possível, o que facilitaria a dissolução e a
reação completa desse óxido.
FIG. 4.22 Distribuição granulométrica da escória de ferroníquel.
Os valores de densidade da escória de ferroníquel mostrados na Tabela 4.8 são um pouco
elevados quando comparados com os agregados convencionais geralmente utilizados. Este
fato se deve principalmente pela presença do ferro que é encontrada em sua composição
química, assim como BALBO (2007) e SILVA (2010) também atribuíram o elevado valor da
densidade da escória devido à composição do ferro no agregado. Por outro lado, observa-se
que a absorção do agregado foi baixa (igual a 0,1%), fator positivo que favorece a mistura
asfáltica com praticamente nenhuma absorção de ligante, devido a ausência de poros na
escória de ferroníquel como foi observado também pelo ensaio de microscopia óptica.
89
TAB. 4.8 Relação das densidades da amostra de escória ferroníquel.
Material
Densidade
Real
Densidade
Aparente
Absorção
Escória
3,03
2,99
0,1%
Adesividade
CAP
30/45
CAP 50/70
com Dope
50/70
TLA
Não Satisfatória
Satisfatória
O ensaio de avaliação da adesividade – DNER-ME 079/94 (ver Figura 4.23 e Tabela 4.8)
dos ligantes CAP 30/45, 50/70, asfalto modificado por TLA na escória de ferroníquel resultou
em não satisfatório. Este fato pode acontecer nos ensaios de adesividade com os próprios
agregados convencionais, o que não restringe o uso desta escória. Por outro lado, o resultado
satisfatório do ensaio de adesividade com o CAP 50/70 + Dope já era previsto, devido este
aditivo ser um melhorador de adesividade em ligantes asfálticos.
Em seu estudo, MARQUES (2001) relatou que mesmo apesar da ligação do cimento
asfáltico não ser boa em relação a determinados tipos de agregados, esta ligação pode ser
melhorada através da adição de determinadas substâncias tais como cal, pó calcário ou os
agentes melhoradores de adesividade, também chamados “dopes”.
FIG. 4.23 Avaliação dos ligantes. (a) Ligante sendo ensaiado. (b) CAP 30/45 (c) CAP 50/70 e
asfalto modificado por TLA. (d) CAP 50/70 + Dope.
90
Quanto ao ensaio de Abrasão Los Angeles, a escória de ferroníquel não se enquadra nas
especificações para a realização do ensaio visto que é um agregado miúdo. Além disso,
MARQUES (2001) ressalta que este ensaio não é satisfatório para uso em escórias, cinzas
vulcânicas ou outros agregados leves. A experiência mostra que muitos destes agregados
produzem excelente desempenho mesmo com valor de abrasão Los Angeles alto.
Conforme já mencionado, além da escória de ferroníquel de redução, também foram
utilizados outros agregados na elaboração dos vários traços realizados neste trabalho. O pó /
pedrisco e a brita 1 são comumente utilizados em misturas asfálticas e também foram
utilizados nesta pesquisa para a elaboração das misturas asfálticas pesquisadas contendo a
escória de ferroníquel. Nas Tabelas 4.9 a 4.12, são apresentados os resultados da
caracterização física destes agregados são mostrados.
TAB. 4.9 Ensaio de granulometria da brita 1.
Peneira
# (pol.)
3/4"
1/2"
3/8"
n.º 4
n.º 10
n.º 40
% Passante
Brita 1
100,00
50,00
19,00
3,00
2,00
1,00
(mm)
19
12,7
9,5
4,8
2
0,42
TAB. 4.10 Resultados de ensaio de caracterização da brita 1.
Material
Densidade
Real
Densidade
Aparente
Absorção
Adesividade
Abrasão Los
Angeles
Durabilidade
Impacto
Tréton
Brita 1 /
Gnaisse
2,73
2,67
1,5%
Satisfatória
23,6 %
2,80%
17%
Na Tabela 4.10 pode ser feita uma comparação entre a brita 1 e a escória de ferroníquel
(ver Tabela 4.8). Observa-se um ponto positivo no ensaio de absorção da escória de
ferroníquel que possui uma menor absorção quando comparada à da brita 1 – gnaisse
(agregado convencional).
A perda de massa do material pelo ensaio de Abrasão Los Angeles foi igual a 23,6%. Tal
qual o resultado do ensaio de perda ao choque no aparelho Tréton igual a 17%, que foi menor
que 60% conforme limite estabelecido pela norma DNER-ME 399/99.
Para os agregados miúdos (dimensões maiores que 0,075 mm e menores que 2,0 mm)
como é o caso do pedrisco, não foram realizados os ensaios de absorção e impacto Tréton. Os
91
resultados do ensaio de granulometria e densidade do pedrisco são mostrados nas Tabelas
4.11 e 4.12, respectivamente.
TAB. 4.11 Ensaio de granulometria do pedrisco.
Peneira
# (pol.)
n.º 4
n.º 10
n.º 40
n.º 80
n.º 200
% Passante
Pedrisco
100
75
39
20
6
(mm)
4,8
2
0,42
0,18
0,075
92
TAB. 4.12 Relação das densidades do pedrisco.
Material
Densidade Real
Densidade
Aparente
Absorção
Adesividade
Impacto
Tréton
Pedrisco
2,86
2,79
-
Satisfatória
-
4.2.2 DOS LIGANTES
A caracterização do ligante asfáltico utilizado nos traços deste trabalho é apresentada a
seguir, sendo possível concluir de acordo com a Tabela 4.13 que trata-se de um CAP 50/70,
pois apresentou baixa suscetibilidade ao envelhecimento de curto prazo, comprovada pela
baixa variação do seu ponto de amolecimento.
TAB. 4.13 Ensaios de controle do Cimento Asfáltico de Petróleo – CAP 50/70 REDUC.
Ensaio – CAP 50/70
Penetração (100g, 5s, 25ºC, 0,1mm)
Ponto de Amolecimento, min.
Viscosidade Brookfiel a 135ºC, SP 21, 20rpm, mín
Viscosidade Brookfiel a 150ºC, SP 21, mín.
Viscosidade Brookfiel a 177ºC, SP 21
Ponto de fulgor, mín.
Dutilidade a 25ºC, mín
Efeito do calor e do ar (RTFOT) a 163ºC, 85 min
Aumento do ponto de amolecimento, máx.
Penetração retida, mín.
Densidade Relativa
4.3
Unidades
0,1mm
ºC
ºC
Cm
Limites
50 a 70
46
274
112
57 a 285
235
60
Resultados
57
51,4
375
183
68
315
>100
ºC
%
8
60
57,9
61,5
1,02
Cp
MISTURAS ASFÁLTICAS COM ESCÓRIA DE FERRONÍQUEL
4.3.1 TRAÇO 1 – AREIA ASFALTO USINADO A QUENTE (A.A.U.Q.)
A escória de ferroníquel, de acordo com sua granulometria, se mostrou um material
granular, predominando o tipo areia média a grossa, podendo destacar seu uso com maiores
proporções em mistura do tipo areia asfalto.
Segundo ALDIGUERI & BERNUCCI (2002), a mistura do tipo areia asfalto é
frequentemente utilizada nas regiões norte e nordeste do Brasil e pode apresentar um
desempenho similar ao das misturas do tipo concreto asfáltico, quando usada uma boa
93
graduação na mistura. Afirmaram que essa mistura é uma boa opção de revestimentos para
pavimentos flexíveis.
Em geral, as misturas do tipo areia asfalto a quente são consideradas inferiores em
desempenho às misturas convencionais do tipo concreto asfáltico. Elas apresentam baixos
valores de resistência à tração e baixa resistência à deformação permanente.
Nos estudos de BISSADA (1987); LOMONACO & BERNUCCI (1999) apud
ALDIGUERI & BERNUCCI (2002) foram feitas várias tentativas para melhorar o
desempenho deste tipo de mistura, por meio da adição de enxofre ao ligante asfáltico, do uso
da técnica do asfalto espuma, e uso de ligantes modificados por asfaltita.
Neste trabalho, foram elaborados dois traços de mistura asfáltica tipo A.A.U.Q.,
utilizando o método Marshall e o ligante tipo CAP 50 / 70 REDUC, com densidade 1,01 e
sendo obtido um teor ótimo de 6% - com 100% de escória e 6,7% - com 60% de escória,
respectivamente. O resumo do traço é apresentado na Tabela 4.14. A Figura 4.24 ilustra a
compactação dos corpos-de-prova realizados pelo método Marshall e os corpos-de-prova da
mistura tipo A.A.U.Q.
94
FIG. 4.24 Compactação da Marshall da mistura tipo A.A.U.Q. (a) agregado escória de
ferroníquel sendo retirado da estufa. (b) Temperatura da escória de ferroníquel sendo
verificada para ser misturada ao ligante. (c) e (d) CAP 50 / 70 sendo misturado à escória de
ferroníquel (e) compactação do corpo-de-prova. (f) corpos-de-prova Marshall com variados
teores de ligante.
TAB. 4.14 Composição do traço 1 de A.A.U.Q.
Material
Escória ferroníquel
CAP (Teor Ótimo)
Porcentagem (%)
100
6
Na tentativa do enquadramento do agregado escória de ferroníquel da redução na faixa A
da norma areia asfalto do DNIT 032/2004 com utilização de 100% do agregado de escória na
mistura, obteve-se a curva granulométrica mostrada na Figura 4.25.
95
FIG. 4.25 Curva granulométrica do agregado de escória de ferroníquel na faixa A de
A.A.U.Q. – Traço 1
Mesmo não tendo sido obtida uma curva granulométrica satisfatória para o
enquadramento na faixa A da norma do DNIT de areia asfalto, e por tratar de um agregado
ainda pouco estudado em misturas asfálticas, optou-se pela confecção do traço com a
utilização de 100% do agregado na expectativa de conhecer o comportamento deste material
nos ensaios realizados com a mistura asfáltica, trata-se, portanto de um traço piloto.
A volumetria obtida para esse traço é apresentada na Tabela 4.15, na qual pode ser
observado que os valores de porcentagem de Volume de Vazios e Relação Betume Vazio
apresentaram dentro dos limites da norma de A.A.U.Q. Porém, o valor de estabilidade foi
igual a zero, o que está em desacordo com o valor mínimo recomendado por norma (30kN).
Todavia, com esse resultado de estabilidade, não seria possível dar sequência ao traço,
pois o ensaio de estabilidade Marshall é um critério relevante para a mistura e revela a
capacidade de um corpo-de-prova suportar uma carga máxima antes da ruptura.
TAB. 4.15 Volumetria do traço elaborado com teor de 6% de ligante – Traço 1.
Item
Densidade Aparente
Volume de Vazios (%)
Volume do Agregado Mineral – VAM (%)
Relação Betume Vazio – RBV (%)
Densidade Máxima Teórica (DMT)
Estabilidade
96
Valores
2,28
6,61
19,3
67,25
2,42
0
Limites
3–8
65 – 82
30kN
Para esse tipo de mistura (A.A.U.Q.) a temperatura de compactação Marshall do corpode-prova somente foi possível a 80 C, pois o corpo de prova não tinha coesão e se
desmanchava. Provavelmente, a estabilidade igual a zero encontrada para essa mistura se deve
à baixa temperatura de compactação dos corpos de prova.
MOURA (2000) também verificou a possibilidade de aplicação da escória de cobre em
misturas do tipo areia asfalto e conclui que, embora a escória apresentasse uma ótima
adesividade, não foi possível realizar ensaios Marshall nas misturas, uma vez que os corposde-prova desagregaram a 60ºC.
A Figura 4.26 ilustra um dos corpos-de-prova sendo submetido ao ensaio de estabilidade
Marshall e o corpo-de-prova totalmente desintegrado após a execução do ensaio.
FIG. 4.26 Ensaio de estabilidade Marshall com corpo-de-prova da mistura do tipo A.A.U.Q.
4.3.2 TRAÇO 2 – AREIA ASFALTO USINADO A QUENTE (A.A.U.Q.)
Para o segundo traço da mistura tipo (A.A.U.Q.), foi elaborado um traço utilizando o
método Marshall e o ligante tipo CAP 50/70 REDUC, com densidade 1,01 e teor ótimo de
projeto com porcentagem de ligante igual a 6,7%. O resumo do traço é apresentado na Tabela
4.16. A areia utilizada neste traço é proveniente do Lote 6 – BR 101 / PE.
TAB. 4.16 Composição do traço 2 de A.A.U.Q.
Material
Escória ferroníquel
Areia
Cimento
CAP (Teor Ótimo)
Porcentagem (%)
60
37
3
6,7
97
Na Figura 4.27 ilustra o enquadramento granulométrico do traço 2 elaborado da mistura
asfáltica na faixa A da norma de areia asfalto do DNIT. Sendo possível observar o
enquandramento da curva do agregado dentro dos limites inferior e superior estabelecidos
pela norma de A.A.U.Q - DNIT 032/2004.
FIG. 4.27 Curva granulométrica do agregado de escória de ferroníquel na faixa A de
A.A.U.Q. – Traço 2.
A volumetria obtida do traço 2 é apresentada na Tabela 4.17, na qual pode ser observado
que assim como os valores de porcentagem de Volume de Vazios e Relação Betume Vazio do
traço 1, o traço 2 também apresentou estes valores dentro dos limites da norma de A.A.U.Q.
Observou-se que o valor de Volume de Vazios em comparação ao traço 1 diminuiu. Isto
se deve à adição da areia e do cimento no traço 2 que integram a mistura como o fino que
faltou na mistura asfáltica do traço 1. A areia e o cimento preencheram os vazios da mistura
asfáltica, sem alterarem o valor dentro dos limites da norma.
O valor de estabilidade para o traço 2 assim como o traço 1, foi igual a zero. Embora com
adição de outros agregados no traço 2, não foi possível compactar os corpos-de-prova com
temperatura acima de 80C. Assim, obteve-se o mesmo resultado nulo de estabilidade do
traço 1. A máxima densidade teórica da mistura quanto à densidade aparente, para o corpo-deprova moldado no teor ótimo de ligante, apresentarm valores relativamente baixos, podendo
ser considerado um resultado normal.
98
TAB. 4.17 Volumetria do traço elaborado com teor de 6,7% de ligante – Traço 2.
Item
Densidade Aparente
Volume de Vazios (%)
Volume do Agregado Mineral – VAM (%)
Relação Betume Vazio – RBV (%)
Máxima Densidade Teórica
Estabilidade
Valores
2,30
6,85
20,68
75,97
2,41
0
Limites
3–8
65 – 82
30kN
No traço 2 diminuiu-se a quantidade de escória de ferroníquel na mistura de 100% para
60%, por conta do acréscimo de outros agregados (areia e cimento). Mesmo, com esta
substituição, o traço 2 ainda não atendeu às expectativas de desempenho mecânico da mistura.
Embora o ensaio de estabilidade Marshall possa ser considerado como ultrapassado,
ainda integra as normas técnicas do DNIT, e por este motivo, deve ser considerado em
estudos sobre misturas asfálticas.
Entretanto a questão principal observada na mistura analisada foi o fato dos corpos-deprova praticamente terem se desintegrado durante o banho-maria de 60°C. Este fato é um
forte indicativo de suscetibilidade à deformação permanente.
4.3.3 TRAÇO 3 – CONCRETO ASFÁLTICO USINADO A QUENTE (C.A.U.Q.)
Antes de se optar pela mudança do tipo de mistura asfáltica, foi investigado na região
onde será feito o emprego da escória de ferroníquel em pavimentação, a disponibilidade de
pedreiras contendo agregados convencionais, para que o próximo traço elaborado pudesse ser
viável economicamente e compatível com o objetivo do projeto. Assim, foi elaborado traço 3
de mistura asfáltica tipo concreto asfáltico, utilizando-se o método Marshall e o ligante tipo
CAP 50/70 REDUC, com densidade 1,01 de modo a ser enquadrada na norma DNIT
031/2006 - ES. O resumo do traço é apresentado na Tabela 4.18.
TAB. 4.18 Composição do traço 3 de C.A.U.Q.
Material
Escória ferroníquel
Brita 1
Pedrisco
Cimento
CAP (teor ótimo)
Porcentagem (%)
60
30
7
3
5,3
99
A seguir na Figura 4.28 é apresentado o enquadramento granulométrico do traço 3
elaborado da mistura asfáltica na faixa C da norma de C.A.U.Q. do DNIT 031/2004 - ES.
Verifica-se um desenquadramento na peneira n°40, porém foram mantidas essa
porcentagem sendo o melhor enquadramento obtido para esta mistura tipo C.A.U.Q.
FIG. 4.28 Curva granulométrica do agregado de escória de ferroníquel na faixa C de
C.A.U.Q. – Traço 3
A volumetria obtida para o traço 3 é apresentada na Tabela 4.19, na qual podem ser
observados para os corpos-de-prova desta mistura, valores satisfatórios e compatíveis com
aqueles obtidos utilizando agregado convencional.
A temperatura de compactação desta mistura foi igual a 160°C, valor este permitido pela
norma de C.A.U.Q.
Os resultados de volumetria obtidos para este traço de C.A.U.Q. são favoráveis para este
tipo de mistura, pois se encontram dentro dos parâmetros preconizados pela norma DNIT
031/2006.
100
TAB. 4.19 Volumetria do traço elaborado com teores de 5,3% - Traço 3.
Item
Teores de Ligantes
Densidade Aparente
Volume de Vazios (%)
Volume do Agregado Mineral – VAM (%)
Relação Betume Vazio – RBV (%)
Máxima Densidade Teórica
Estabilidade mínima (kgf) 75 golpes
Resistência à tração por Compressão diametral
estática MPa
Valores
5,3%
2,41
4,37
16,89
74,15
2,52
999,80
Limites
3–5
75 – 82
500
1,44
0,65
A Relação Betume Vazio não atingiu o valor mínimo preconizado pela norma, porém o
valor foi muito próximo ao permitido, então optou-se por manter a mistura, mesmo não
obtendo o valor satisfatório neste item.
No traço 4, específico para a execução do trecho experimental, a Relação Betume Vazio
se enquandrou nos limites preconizados pela norma de C.A.U.Q.
4.3.4 RESULTADOS DA AVALIAÇÃO MECÂNICA - TRAÇOS 1, 2 E 3
Pesquisou-se o dano por umidade induzida através do método especificado da norma
AASTHO T-283 / 99, sendo moldados seis corpos-de-prova para cada um dos traços 1, 2 e 3
com volumes de vazios de 6,85%; 6,61% e 4,37%, respectivamente, dos quais três corpos-deprova de cada traço foram imersos em água e submetidos à pressão de sucção para retiradas
dos vazios de ar, de modo a se garantir uma total saturação do corpo-de-prova conforme
ilustra a Figura 4.29.
101
FIG. 4.29 Passos para condicionamento do corpo-de-prova no ensaio de perda por umidade
induzida. (a) aplicação da pressão para saturação dos vazios com água.
(b) congelamento (-19°C). (c) e (d) ensaio de resistência à tração.
Em seguida daí, os corpos-de-prova saturados foram levados para o freezer à temperatura
de -19C, durante um período de doze horas, sendo posteriormente submetidos ao ensaio de
resistência à tração estática, cujos resultados são apresentados na Tabela 4.20.
TAB. 4.20 Resultados dos ensaios de dano por umidade induzida e não induzida com os
traços 1, 2 e 3 com escória de ferroníquel.
Dano por Umidade Induzida e
Não Induzida
RTi (MPa) (não induzida)
RTf (MPa) (induzida)
RTf/RTi (*100) ≥ 70%
Traço 1
A.A.U.Q.
0,23
Traço 2
A.A.U.Q.
0,28
Traço 3
C.A.U.Q.
0,88
0,21
91,3
0,21
75,0
0,73
82,9
Conforme pode ser observado na Tabela 4.20, todos os traços satisfizeram o critério da
relação RTf/RTi ≥ 70%, em outras palavras, a ação da água não se mostrou danosa para os
traços estudados.
Pesquisou-se o desempenho mecânico da mistura asfáltica dos traços 1, 2 e 3, onde 3
102
(três) corpos-de-prova foram submetidos ao ensaio de resistência à tração estática e 3 (três)
corpos-de-prova ao ensaio de módulo resiliente (MR) por compressão diametral, cujos
resultados são apresentados na Tabela 4.21.
TAB. 4.21 Resultados dos ensaios de MR e RT nas misturas asfálticas dos traços 1, 2 e 3
com escória de ferroníquel.
Traços
Traço 1 (A.A.U.Q.)
MR (MPa)
1.033
RT (MPa)
0,23
MR/RT
4.491
Traço 2 (A.A.U.Q.)
Traço 3 (C.A.U.Q.)
1.647
2.732
0,21
1,44
7.842
1.897
Os valores de módulo resiliente dos traços 1, 2 e 3 elaborados de misturas asfálticas,
podem ser melhor visualizados na Figura 4.30.
FIG. 4.30 Valores de Módulo Resiliente dos Traços 1, 2 e 3 das misturas asfálticas com
escória de ferroníquel.
A análise dos resultados indicou valor de módulo resiliente médio de 1.033 MPa e
resistência à tração (RT) média de 0,23 MPa para o traço 1, enquanto para o traço 2 estes
valores passaram para 1.647 MPa e 0,21 MPa para as misturas tipo A.A.U.Q. Tais valores de
MR não são satisfatórios para o caso de misturas asfálticas tipo areia asfalto. Considera-se
que estes resultados ainda se encontram muito abaixo do esperado, mesmo quando comparado
com os de misturas do tipo pré-misturado a frio (menos resistentes), que costumam apresentar
menores valores de módulo resiliente.
Ainda, ALDIGUERI & BERNUCCI (2002) encontraram valores de módulo resiliente
para o tipo de mistura A.A.U.Q. variando entre (2.400 a 3.000 MPa - CAP 30/45), (2.250 a
103
2.500 MPa - 50/60) e (2.050 a 2.200 MPa - CAP Modificado por Asfaltica).
Porém, VALENÇA et al. (2011) estudaram-se as propriedades mecânicas de misturas
asfálticas do tipo areia asfalto com areia residual (A.A.U.Q.), agregado miúdo de resíduo de
construção e demolição (A.A.U.Q. - RCD), fibra de açaí (A.A.U.Q. - FIBRA e A.A.U.Q.
RCD-FIBRA), e ligantes asfálticos modificados por polímeros EVA ou SBS (A.A.U.Q. EVA, A.A.U.Q. - SBS, A.A.U.Q. - RCD-EVA e A.A.U.Q. - RCD-SBS) encontraram valores
de RT variando entre (0,57 MPa a 1,04 MPa), e valores de MR (368 MPa a 1.650 MPa),
resultados estes, mais aproximados com os encontrados para os traços de A.A.U.Q.
executados neste trabalho.
Os valores de resistência à tração (RT) também são muito baixos, para os traços 1 e 2
quando comparados com os de outras misturas do tipo areia asfalto como os valores de RT
igual a 1,39; 1,34 e 1,1 MPa, encontrados no estudo de ALDIGUERI & BERNUCCI (2002)
com utilização do CAP 30/45, 50/60 e CAP Modificado por Asfaltita, respectivamente.
Os valores de módulo resiliente e resistência à tração por compressão diametral para o
traço 3, iguais a 2.732 MPa e 1,44 MPa respectivamente, foram baixos, porém compatíveis
para mistura do tipo concreto asfáltico quando comparados com alguns resultados
investigados em literatura para o mesmo tipo de mistura asfáltica na faixa C utilizando
agregados convencionais.
CASTELO BRANCO (2004) encontrou os valores de módulo resiliente para a mistura
asfáltica tipo C.A.U.Q. para M1 contendo 40% de escória de aciaria com MR igual a 2.276
MPa, para a mistura M2 contendo 60% de escória com MR igual a 1.836 MPa e M3 contendo
80% de escória com MR igual a 2.188 MPa.
SILVA (2010) encontrou valores de módulo resiliente para misturas tipo C.A.U.Q com
80% de escória de aciaria variando entre 4.002 MPa e 7.241 MPa e valores de resistência á
tração variando entre 0,93 MPa e 1,54 MPa para variados teores de ligantes.
FREITAS (2007) conseguiu obter melhores resultados de módulo resiliente igual a 9.173
MPa na mistura asfáltica tipo C.A.U.Q. com 97% de escória de aciaria utilizando o CAP
30/45 com Sasobit (melhorador da performance de asfalto e mais utilizado em misturas
mornas).
Portanto, conclui-se que a variação da forma, textura, angularidade do agregado, o teor e
o tipo de ligante, irão influenciar diretamente no comportamento mecânico da mistura
asfáltica.
104
Um quarto traço de mistura asfáltica foi realizado com amostras de materiais fornecidas
pela Empresa ONA, agregados pétreos e ligante asfáltico tipo CAP 50 / 70, a qual executou
em 30/06/13 a construção do trecho experimental com a escória de ferroníquel localizado no
município de Niquelândia/GO. A princípio este seria o traço de mistura asfáltica empregado
para a execução do trecho experimental, porém não foi possível seu emprego devido a
mudança dos agregados que difere aos agregados utilizados no traço 4.
Os materiais do traço 4 foram conduzidos ao Laboratório de Ligantes e Misturas
Betuminosas do IME no Rio de Janeiro. Foram realizados ensaios de caracterização de
agregados e ligante e dosagem pelo método Marshall, além da dosagem da mistura.
Os agregados se tratam de calcários britados, sendo subdivididos nas seguintes frações:
brita 1, brita 0 e pó pedrisco, conforme ilustrado na Figura 4.35.
FIG. 4.311 Agregados de Calcário nas frações: Brita 1, Brita 0 e Pó Pedrisco.
4.3.5 GRANULOMETRIA
Na Tabela 4.24 são mostrados os resultados dos ensaios de granulometria dos agregados
utilizados no traço 4.
105
TAB. 4.22 Granulometria dos agregados Traço 4.
Peneiras #
1 e ½”
1”
¾”
½”
3/8”
N° 4
N° 10
N° 40
N° 80
N° 200
Brita 1
100,0
100,0
100,0
42,5
4,8
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
Brita 0
100,0
100,0
100,0
98,9
82,8
13,1
4,5
2,7
2,4
1,5
Pó Pedrisco
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
95,5
61,9
33,3
27,7
15,3
Cimento
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
92,0
Escória
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
97,7
63,8
4,0
0,8
0,4
A granulometria do agregado escória de ferroníquel, utilizada no traço 4, difere da
granulometria da escória ferroníquel utilizada nos traços 1, 2 e 3 deste trabalho. Isto se deve
ao lote das amostras de escória ferroníquel enviadas anteriormente ser diferente do lote de
amostras de escória ferroníquel enviadas para este ensaio. Essa diferença pode ter sido o
motivo da diminuição do uso da escória no enquadramento granulométrico deste traço.
A Figura 4.36 ilustra a curva da mistura prevista para a execução do traço 4, que se
enquadra na Faixa C da norma DNIT 031/2006 – ES para misturas asfálticas tipo concreto
asfáltico usinado a quente. Observa-se que a granulometria da mistura utilizada neste ensaio
obedeceu aos limites inferiores e superiores da curva de granulometria preconizados pela
norma citada.
FIG. 4.32 Curva da mistura de agregados do Traço 4 na faixa C de C.A.U.Q.
106
Conforme o enquadramento dos agregados pelo método das tentativas na curva de
granulometria exibida na Figura 4.33 acima, o traço 4 da mistura asfáltica com os agregados
ficou definida conforme mostrado na Tabela 4.25.
TAB. 4.23 Traço 4 da Mistura Asfáltica.
Material
Brita 1
Brita 0
Pó Pedrisco
Cimento
Escória
Porcentagem %
22
15
20
3
40
Outras características, como densidades, absorção, adesividade e impacto tréton, dos
agregados estudados para o traço 4 estão reunidas na Tabela 4.26.
TAB. 4.24 Características físicas e mecânicas dos agregados do Traço 4.
Material
Brita 1
Brita 0
Pó Pedrisco
Cimento
Densidade
Real
2,82
2,88
2,85
3,10
Densidade
Aparente
2,79
2,75
-
Absorção
Adesividade
1,7
-
Satisfatória
Satisfatória
-
Impacto
Tréton
30,61
-
Abrasão Los
Angeles
25,6%
-
A densidade dos agregados apresentados na Tabela 4.26 apresentou resultados
semelhantes a outros agregados comumente utilizados.
O resultado para o ensaio de absorção mostrou-se um pouco elevada, porém encontra-se
dentro dos limites preconizados pela norma, tendo sido a absorção do agregado de calcário
menor que 2%, conforme DNER-ME 195/97, e adesividade satisfatória.
A perda de massa do material pelo ensaio de Abrasão Los Angeles foi igual a 25,6%. Tal
qual o resultado do ensaio de perda ao choque no aparelho Tréton igual a 30,61%, que foi
menor que 60% conforme limite estabelecido pela norma DNER-ME 399/99.
Na Tabela 4.27 encontram-se os resultados da caracterização física do ligante asfáltico
CAP 50 / 70 utilizados no traço 4.
107
TAB. 4.25 Ensaios de controle do Cimento Asfáltico de Petróleo – CAP 50/70 – Traço 4.
Ensaio – CAP 50/70
Penetração (100g, 5s, 25ºC, 0,1mm)
Ponto de Amolecimento, min.
Viscosidade Brookfiel a 135ºC, SP 21, 20 rpm, mín
Viscosidade Brookfiel a 150ºC, SP 21, mín.
Viscosidade Brookfiel a 177ºC, SP 21
Ponto de fulgor, mín.
Dutilidade a 25ºC, mín
Efeito do calor e do ar (RTFOT) a 163ºC, 85 min
Aumento do ponto de amolecimento, máx.
Penetração retida, mín.
Ductilidade a 25°C, mín.
Densidade Relativa
Unidades
0,1mm
ºC
ºC
cm
Limites
50 a 70
52
274
112
57 a 285
235
60
Resultados
50
58,6
375
183
68
348
>100
ºC
%
cm
8
55
20
65,5
55
>100
1,04
Cp
Os resultados de caracterização do ligante foram satisfatórios e obedeceram aos limites
estabelecidos pelas normas do IBP que estão apresentados na Tabela 3.4.
A volumetria obtida para este traço é apresentada na Tabela 4.28, na qual pode ser
observado que os valores obtidos foram satisfatórios, dentro dos limites da norma DNIT
031/2006 – ES, e compatíveis com aqueles obtidos utilizando agregado convencional.
Observa-se que o teor de ligante 4,3% para o traço 4 diminuiu em relação ao traço 3 –
5,3%, cujo resultado encontra-se na Tabela 4.19. Este fato se deve principalmente à
diminuição do percentual da escória de ferroníquel no traço elaborado para o traço 4, sendo
este igual a 40%. O agregado miúdo, como a escória de ferroníquel, usado em maior
proporção como foi no traço 3 com 60%, levou à necessidade de uma maior adição de ligante.
Para os valores de estabilidade e resistência à tração, os resultados obtidos foram menores
para o traço desta mistura asfáltica quando comparado com os do traço 3. Provavelmente esta
diferença se deve ao fato dos agregados de ambos os traços serem distintos.
TAB. 4.26 Volumetria do Traço 4 elaborado com teor de 4,3%.
Item
Teores de Ligantes
Densidade Aparente
Volume de Vazios (%)
Volume do Agregado Mineral – VAM (%)
Relação Betume Vazio – RBV (%)
Máxima Densidade Teórica
Estabilidade mínima (kgf) 75 golpes
Resistência à tração por Compressão diametral
estática Mpa
108
Valores
4,3%
2,52
3,5
15,5
77,0
2,51
850
Limites
3–5
75 – 82
500
0,75
0,65
4.4
ENSAIOS SOLO E ESCÓRIA FERRONÍQUEL
Como o objetivo desta dissertação é utilizar a escória de ferroníquel nas camadas do
pavimento, assim foram feitos também ensaios tecnológicos utilizando a escória de
ferroníquel em misturas com solo. Os solos utilizados nestes ensaios estão descritos no
capítulo de Metodologia.
4.4.1 ENSAIO DE EXPANSÃO
Conforme pode ser visto na Tabela 3.1 item 3.1.1 do Relatório Lixiviação e
Solubilização, a composição química da escória de ferroníquel possui baixíssimo teor de CaO.
Sabe-se segundo alguns estudos MACHADO (2000),
CASTELO BRANCO (2004),
RAPOSO (2005), que a presença deste elemento químico em agregados como as escórias de
aciaria, por exemplo, são os maiores responsáveis pela expansão do agregado quando
hidratados com água, causando os defeitos e irregularidades no pavimento.
O ensaio de expansão pelo método CBR auxiliou a avaliação do resultado de expansão da
mistura solo com escória de ferroníquel.
Na Tabela 4.22 é mostrado o resultado da avaliação desta expansão utilizando a mistura
solo com escória de ferroníquel, cujo o solo é oriundo do Acre e foi utilizado por CÓRDOVA
(2011).
TAB. 4.27 Dados do ensaio de Expansão com escória de ferroníquel 79% e solo 21%.
Tempo (horas)
24 h
48 h
72 h
96 h
Expansão Total
Leitura (mm)
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
O resultado mostrou que durante os quatro dias de leitura o extensômetro não se moveu,
fato que corrobora que a escória de ferroníquel não é um material expansivo. O ensaio feito
pela GEOCONTRUYE Geología y Construcciones International, C.A., que realizou o mesmo
ensaio com a escória de ferroníquel em mistura com solo da Venezuela chegou à mesma
conclusão. No relatório da GEOCONTRUYE, o resultado do ensaio de CBR (ver Tabela
109
4.23) com a escória de ferroníquel apresentou expansão menor que 1%, resultado este dentro
dos limites permitidos pela norma nacional.
TAB. 4.28 Dados de Expansão pelo ensaio de CBR.
10 Golpes
Tempo
Leitura (mm)
0:00 h
8,25
96:00 h
9,00
Expansão Total
0,75
25 Golpes
Tempo
Leitura (mm)
0:00 h
12,25
96:00 h
12,50
Expansão Total
0,25
56 Golpes
Tempo
Leitura (mm)
0:00 h
4,50
96:00 h
5,25
Expansão Total
0,75
Fonte: Geología y Construcciones International, C.A.
4.4.2 MÓDULO DE RESILIÊNCIA
Na Figura 4.31 é apresentado o gráfico de variação do módulo resiliente em função da
tensão desvio, obtido para a amostra de solo – Carajás/MA – e escória ferroníquel no traço de
50% / 50%, com a utilização de corpos-de-prova de dimensões 10 x 20 cm.
FIG. 4.33 Variação do Módulo Resiliente com a Tensão Desvio.
Conforme pode ser observado na Figura 4.31 para este caso com o corpo-de-prova
moldado com adição de 500 ml de água, a ordem de grandeza do valor médio do módulo
resiliente variou entre 300 MPa a 600 MPa.
Devido ao fato de ter sido feita uma mistura solo e escória de ferroníquel, na razão 1:1,
não é possível distinguir, a priori, qual seria o melhor modelo de previsão do comportamento
do módulo resiliente da mistura compactada se MR = F(σ3) ou MR = F(σd). Os ensaios
110
realizados indicaram um melhor enquadramento em função da tensão desvio, fato que indica
em tese, uma preponderância da fração argilosa no comportamento da mistura.
Este valor de módulo resiliente pode ser considerado elevado e compatível com aqueles
obtidos para pedregulhosos lateríticos em pesquisas anteriores como a de VERTAMATTI
(1988), SANTOS (1998), MOTTA (1991), SANTOS & GUIMARÃES (2011). A pesquisa
pode evoluir neste sentido.
111
5
CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Caracterização do Agregado Escória de Ferroníquel
Foram realizados os ensaios para a caracterização do agregado escória de ferroníquel por
Miscroscopia Eletrônica por Varredura (MEV), Difração de Raio-X, Microscopia Óptica e
por AIMS (Aggregate Imaging System). Através destes ensaios foi possível uma análise
criteriosa das amostras de escória de ferroníquel.
Do ensaio realizado no MEV foi possível verificar a imagem do agregado escória de
ferroníquel ampliado em 50, 180 e 220 vezes. Assim, verificou-se as interações dos elementos
químicos presentes na escória de ferroníquel no momento em que sofreu o processo de
solidificação interceptado pelo jato de água. Ainda verificou-se a composição química
presente no agregado de escória de ferroníquel, sendo composta basicamente por: MgO,
Fe2O3 e SiO. Estes elementos, que não apresentam nenhum risco ambiental quando exposto
ao ambiente. Sabe que a reação por hidratação entre óxidos de cálcio e óxidos de magnésio é
um dos principais fatores de expansão das escórias de siderurgias, fato que restringe sua
utilização em pavimentos asfálticos. Os resultados de caracterização química da escória de
ferroníquel mostraram uma pequena concentração de óxidos de cálcio, indicando que o
material tem baixa suscetibilidade à expansão e, consequentemente, apontando ser um
agregado de uso promissor em pavimentação.
No ensaio de Difração de Raio-X foi encontrada a presença do mineral Laihunita, um
Silicato de Ferro do grupo das olivinas. Conhecer a formação da estrutura do agregado auxilia
na verificação da sua resistência ao intemperismo. De acordo com a série Bowen, tem-se que
a olivina é um dos primeiros minerais a se formar quando há a solidificação do magma. Logo,
pela série inversa de Gold Wish associada à velocidade de alteração frente ao intemperismo,
os minerais do grupo olivina tendem a ser os primeiros a se alterarem. Esta pode ser uma
preocupação a ser considerada nos estudos futuros com estes materiais.
Na análise por Microscopia Óptica, investigou-se a superfície do agregado escória de
ferroníquel com o aumento de 40 vezes. Constatou-se que o agregado possuía uma superfície
lisa e não foram observados poros. Assim, concluiu-se que o ensaio de adesividade com
resultado insatisfatório se deve à superfície lisa do agregado, que causou o escorrimento do
112
ligante, fazendo com que ele se desprendesse do agregado de escória. Por outro lado, o fato de
não terem sido observados poros na escória é um fator positivo quando for empregada em
mistura asfáltica, pois irá absorver menos ligante na mistura.
No ensaio feito pelo AIMS, a escória de ferroníquel mostrou ter classificação quanto à
forma sub-alongada; quanto à angularidade, classificação sub-arredondada para o agregado
graúdo. E para o agregado miúdo, classificação sub-alongada; quanto à textura, classificação
como liso. A escória de ferroníquel possui grãos em formas esféricas e irregulares, fato
favorável ao intertravamento dos grãos na mistura asfáltica assim como foi concluído pelo
ensaio de microscopia.
Misturas Asfálticas
A necessidade do uso de DOPE mostrou-se necessária diante dos resultados de
adesividade com a escória de ferroníquel.
Os traços 1 e 2 de misturas tipo areia asfalto usinado a quente contendo agregados de
escória de ferroníquel não se mostraram satisfatórios do ponto de vista técnico, em especial
relativo ao comportamento mecânico da mistura em laboratório, onde o resultado de
estabilidade Marshall foi igual a 0 (zero) inviabilizando seu emprego em obras de
pavimentação.
Por outro lado, foi possível obter um traço de mistura tipo concreto asfáltico, com cerca
de 60% de agregados de escória de ferroníquel, cujos resultados dos ensaios de avaliação do
comportamento mecânico foram: Módulo Resiliente com média igual a 2.732 MPa;
Resistência à Tração com média igual a 1,44 MPa; e Estabilidade Marshall igual a 999,8 kgf.
Estes resultados são compatíveis com os limites preconizados pela norma DNER de misturas
asfálticas do tipo C.A.U.Q. e com misturas similares compostas de agregados convencionais.
Isto tudo corrobora para o bom comportamento mecânico deste material utilizado como materiais
de pavimentação rodoviária para este tipo de mistura asfáltica.
Quanto à caracterização dos agregados de calcário, utilizados no traço 4, os ensaios de
absorção igual a 1,7%, menor que 2% conforme preconizado pela norma DNER-ME 195/97,
abrasão Los Angeles igual a 25% menor que 40% e a perda ao choque pelo aparelho Tréton
igual a 30,6%, valor menor que 60% conforme preconizado pela norma DNER-ME 399/99.
Assim também, a caracterização do ligante CAP 50 / 70 se mostrou adequada ao uso
obedecendo aos limites das normas de cada ensaio.
113
A mistura asfáltica do traço 4 apresentou valores satisfatórios dentro dos limites da norma
de concreto asfáltico, utilizando 40% da escória de ferroniquel foi possível atender aos
valores do ensaio de estabilidade igual a 850 kgf e resistência à tração igual a 0,75 MPa
preconizados por suas respectivas normas.
Mistura Solo e Escória de Ferroníquel
A mistura solo e escória apresentou, pelo método CBR, expansibilidade igual a 0 (zero) e
condição favorável, conforme limites preconizados em norma, ao uso da escória como
emprego em camadas de base e sub-base em misturas com solos com baixa expansibilidade,
conforme solo utilizado para esta pesquisa.
Na avaliação do módulo resiliente da mistura solo e escória, o MR apresentou valores
entre 300 MPa e 600 MPa. Estes valores podem ser considerados como elevados e compatíveis
com valores obtidos para misturas similares, atestando o bom comportamento mecânico deste
material.
A pesquisa deve continuar conforme as recomendações descritas no próximo tópico.
Recomendações para Futuras Pesquisas

Avaliação da expansão da escória ferroníquel pelo método PTM 130/78, JIS A 5015/92
ou ASTM D 4792/00, com diferentes tempos de cura;

Realização de ensaios mais modernos previstos na metodologia SuperPave para as
misturas utilizadas neste estudo, cujo processo de dosagem é baseado no desempenho da
mistura asfáltica, com especial preocupação com a deformação permanente;

Utilizar o método Bailey para ajustar a granulometria dos agregados;
Um trecho experimental foi executado em Niquelândia/GO – estacionamento da empresa
AngloAmerican. Sugere-se um estudo do monitoramento do desempenho mecânico deste
pavimento a partir dos seguintes critérios:

Coleta de materiais do Trecho Experimental executado e caracterizar o ligante, os
agregados e a mistura asfáltica;

Avaliação estrutural do pavimento executado e monitoramento através dos ensaios de
FlowNumber, Módulo Dinâmico, DCP;
114

Estudos de estabilização granulométrica de solos locais com escória de ferroníquel.
115
6
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