Utilização da escória na pavimentação asfáltica

Utilização da escória na pavimentação asfáltica

(Parte 3 de 4)

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

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

Vale salientar que, as normas do DNER para uso de escória de aciaria e escória de alto-forno em pavimentos rodoviários não especifica o tipo de processo de refino utilizado na fabricação do fundido que será responsável pela geração da escória.

Outros países já especificaram o uso da escória para construção rodoviária. A França, por exemplo, especificou o que chamam de grave-laitier que consiste na mistura deste rejeito com agregados comuns ou com cal hidratada, Ca(OH)2, que também é chamada de hidróxido de cálcio, para ser utilizada em construções de base ou sub-base de pavimentos. Cerca de 65,0% das rodovias francesas utilizam este material.

5.2. Escória de alto-forno

5.2.1. Produção da escória de alto-forno

As escórias de alto-forno são geradas mediante a produção do ferro-gusa. A fabricação do gusa é realizada nas siderúrgicas em unidades industriais chamadas altos-fornos. A principal função do alto-forno consiste na remoção do oxigênio do minério de ferro através da redução dos óxidos contidos nos minerais de ferro, transformando estes em ferro metálico (Fe0) e separando-o das partes não metálicas, a escória. A separação do ferro é obtida a partir da reação do óxido de ferro, a canga do minério, com o monóxido de carbono (CO). O CO resulta da combustão do carvão mineral, o coque, ou do carvão vegetal. A parte metálica, por sua vez, é separada da não metálica pela fusão a aproximadamente 1500ºC, quando é formada a escória, menos densa, que incorpora todas as impurezas indesejáveis, e corresponde ao líquido menos denso e insolúvel, sobrenadante que se separa do gusa, também líquido, e posteriormente se solidifica, cristalizando-se ou não, ao ser resfriada. As escórias se formam não apenas pela fusão das impurezas do minério de ferro, mas também pela incorporação dos fundentes, como o calcário e a dolomita, e das cinzas do coque.

Segundo Fusinato (2004), a proporção, em alto-fornos a coque, é de 0,3 a 0,4 tonelada de escória gerada por tonelada de ferro produzido, dependendo da constituição do minério utilizado. Acredita-se que a geração mundial de escórias de alto-forno gire em torno de 120 milhões de toneladas de escória para 700 milhões de toneladas de aço. A produção brasileira é de cerca de 5,7 milhões de toneladas de escória de alto-forno por ano. A figura 1 apresenta o esquema representativo de um alto-forno e da produção da escória.

Figura 1 – Representação esquemática de um alto-forno

(Fonte:MASSUCATO,2005.)

5.2.2. Cura e propriedades da escória de alto-forno

A cura da escória de alto-forno é de extrema relevância para a sua posterior utilização. Ela consiste no tratamento ao qual a escória é submetida com o intuito de solidificá-la e promover a liberação dos gases retidos nela. Esse processo influencia consideravelmente na determinação das propriedades da escória, no que diz respeito principalmente à estrutura do material e à sua hidraulicidade. Deste modo, existem certas técnicas de resfriamento, as quais geram escórias com características diferentes.

De acordo com John (1995), a escória sai do alto-forno na forma de um líquido viscoso com temperatura entre 1350ºC a 1500ºC e com aproximadamente 1700 kJ/kg de energia térmica. O resfriamento lento consiste em armazenar a escória em enormes pilhas ao ar livre. Desse modo, ela é resfriada naturalmente a temperaturas inferiores a 800ºC ou 900ºC, quando começa a cristalizar-se, formando uma solução sólida de cristais, como a merwinita e a melilita. A escória é então britada em granulometrias variadas para sua posterior utilização.

Outra técnica é o resfriamento rápido, na presença de água, no qual a temperatura do resíduo diminui em velocidade elevada, não havendo tempo para que os íons se organizem em forma cristalina, formando então uma estrutura vítrea. Estrutura essa, que não tem a periodicidade e simetria que caracterizam os sólidos cristalinos. Este fato ocorre porque a redução da temperatura de um líquido provoca uma diminuição da mobilidade dos seus íons, impedindo desta forma que eles atinjam uma organização cristalina. Esse processo é conhecido como granulação porque também reduz a escória a grãos similares aos da areia natural.

Uma técnica similar à granulação de escória, no que diz respeito à velocidade do resfriamento, é a do resfriamento por jatos de água sob alta pressão, que obtém um produto também de estrutura vítrea, porém expandido. A figura 2 ilustra a granulação da escória de alto forno.

Figura 2 – Granulação da escória.

(Fonte: MASSUCATO, 2005.)

Por último, o resfriamento rápido por ar sobre pressão, que é utilizado quando se pretende obter a “lã de vidro”, uma escória com propriedades isolantes, térmicas e acústicas. Tal tipo não é de significativa relevância para este trabalho.

A composição química das Escórias de alto-forno produzidas varia dentro de limites relativamente estreitos. Os elementos que participam são os óxidos de: cálcio (Ca), silício (Si), alumínio (Al) e magnésio (Mg). Tem-se ainda, em quantidades menores, FeO, MnO, TiO2, enxofre, entre outros. É importante relembrar que essa composição vai depender das matérias primas, do tipo de gusa fabricado e do tipo de alto-forno utilizada, a coque ou a carvão vegetal. A composição química é de extrema importância e influencia consideravelmente na determinação das características físico-químicas das escórias de alto-forno. Segue, abaixo, uma tabela da composição química das escórias de alto-forno, mostrando os teores citados na literatura e os comparando com os das escórias brasileiras. E, depois, um quadro comparativo com a composição das escórias de alto-forno a coque e a carvão vegetal.

Tabela 1 – Composição química das escórias de alto-forno.

(Fonte: FUSINATO, 2004.)

Quadro 1 – Composição de escórias de alto-forno a coque e a carvão vegetal.

(Fonte: MASSUCATO, 2005.)

Moreira (2006) afirma que as propriedades fundamentais das escórias dependem da hidraulicidade, capacidade de alguns de seus óxidos reagirem em meio saturado, formando sais insolúveis e estáveis, que por sua vez depende de sua composição química e principalmente da sua forma de obtenção, seja no estado sólido vítreo resfriado ou no estado sólido cristalino resfriado. As escórias cristalinas, ou seja, aquelas resfriadas lentamente carecem de propriedades hidráulicas e são em sua maioria, termodinamicamente estáveis, comparativamente às escórias vitrificadas, comportando-se relativamente como agregados inertes, e são classificados na classe três da NBR-1004, como materiais inertes. Do ponto de vista mineralógico, pode-se dizer que as escórias são menos inertes geoquimicamente que os agregados naturais. As escórias de Alto-Forno podem ser vistas geologicamente como sendo rochas metamórficas basálticas e silicíticas.

5.2.3. Escória de alto-forno na pavimentação asfáltica

As escórias de alto-forno possuem atualmente diversas aplicações, entre elas, destacam-se: Bases de estrada; asfalto; aterro / terraplanagem; agregado para concreto; cimento, grande utilização da Escória de alto-forno granulada devido a sua hidraulicidade, e aplicações especiais, como lã mineral, lastro ferroviário, material para cobertura, isolamento, vidro, filtros, condicionamento de solo e produtos de concreto.

Neste trabalho, quanto às aplicações das escórias de alto-forno, nos interessará prioritariamente o seu emprego na pavimentação asfáltica. Para esse fim, destaca-se a utilização da escória de aciaria, porém, há registros do sucesso na utilização das de alto-forno. A utilização da escória em pavimentação, embora não possa ser considerada rotineira, já é freqüente em países em que a produção do aço atingiu níveis elevados, como os Estados Unidos, a Alemanha, o Japão, a França e o Reino Unido. A produção de escória nesses países gira em torno de cem milhões de toneladas anuais. Fusinato (2004) cita o emprego das escórias de alto-forno nesses países.

Na Inglaterra, as normas sobre o uso da escória de alto-forno, tornam possível o uso de escórias com uma resistência mecânica inferior à exigida para os agregados britados de rocha. O mesmo autor dá destaque para um projeto realizado na Hungria, onde a escória de alto-forno granulada foi utilizada como base de pavimento na forma de cascalho rolado, tratado com 20% de escória granulada e 2% de cal hidratada, compondo uma camada de espessura final de 26 centímetros. O trecho pavimentado foi submetido ao tráfego durante os meses de inverno para depois ser superposto por uma camada de binder de 11 centímetros e camada de rolamento de concreto asfáltico de 4,5 centímetros de espessura. Exames posteriores evidenciaram o bom desempenho do pavimento, o que levou as autoridades a elaborar normas para a execução desse tipo de serviço.

Entretanto, a França é o país do qual maior parte dos registros sobre esse emprego das escórias de alto-forno se referem. Além disso, a maior parte da bibliografia encontrada sobre o assunto é proveniente desse país. O fornecimento de escória granulada para algumas regiões da França é controlada pelo laboratório Ponts et Chaussés, que inclusive, importa e distribui escória da Bélgica.

Fusinato (2004) também descreve a utilização da escória de alto-forno para pavimentação no Brasil. A qual é caracterizada por ainda estar em seu início, principalmente no Estado de São Paulo, onde a escória é vendida à indústria de cimento, para que se proceda a fabricação de Cimento de Alto-Forno (CAF). A própria Companhia Siderúrgica Paulista (COSIPA), limita a utilização da escória à pavimentação de ruas internas da fábrica. No caso brasileiro, ainda não é possível a apresentação de exemplos marcantes da utilização da escória de alto-forno em pavimentação, o que não impede de se encarar com algum otimismo esse emprego, tendo em vista a larga produção nacional de aço e a tendência de se utilizar ao máximo os materiais abundantes nas proximidades dos serviços, além das preocupações ambientais. A alternativa pode vir a ser uma solução mais econômica para a pavimentação de vias, principalmente nas proximidades das grandes indústrias siderúrgicas. Seguindo o exemplo da reconstrução da rodovia Duarte na República Dominicana, citada por Wang (2004).

Para o uso na pavimentação, elas são classificadas em granulada e bruta. A escória granulada, que tem alto poder aglomerante devido à sua reatividade pode ser utilizada como base ou sub-base de pavimentos, desde que misturada com brita e cal. Enquanto a escória bruta, que é composta de grãos com as dimensões habituais das britas utilizadas em pavimentação, pode ser empregada na construção de bases e sub-bases de pavimentos, apenas com adição de cal.

Segundo Velten (2005), para o emprego da escória como aglomerante, é necessário que a escória seja solúvel, isto é, passível de ataque pela água, para que os elementos formadores dos compostos hidráulicos sejam liberados. Tal solubilidade é favorecida pelo teor de óxido de cálcio presente na escória. Dessa forma, a reação é lenta, mas, em meio fortemente alcalino e/ou através da ação de sulfatos, torna-se acelerada, sendo a velocidade de reação favorecida pela finura da escória.

Segundo o mesmo autor, constata-se que a adição de uma mistura de escória de alto-forno granulada moída, amostra de solo residual jovem de gnaisse e cal hidratada a camada de pavimento de estradas, aumenta consideravelmente a resistência mecânica do pavimento.

Esse fator comprova a ação positiva da escória como agente estabilizante do solo utilizado. Neste contexto, a cal atua como agente de ativação de reações de hidratação da escória. Velten (2005) constatou também que o tempo de cura da escória tem efeito positivo na resistência mecânica da mistura, devido à ocorrência de reações de cimentação, o que é comprovado nas tabelas 2 e 3, que mostram o comportamento mecânico de três corpos-de-prova em ensaios de compressão não-confinada após a adição da escória de alto-forno e da cal. A tabela 2 mostra os resultados dos testes realizados com um dia de cura e a tabela 3 com 7 dias de cura. Os dados das tabelas comprovam que o aumento do tempo de cura da escória aumenta a resistência mecânica dos corpos-de-prova. A figura 3 reforça os dados das tabelas, sintetizando-os em um gráfico e complementando-os, ao mostrar os valores de tensão à ruptura para amostras que receberam até 28 dias de cura. Confirma-se que o aumento da resistência mecânica persiste para tempos de cura elevados.

A Norma Técnica NBR 12253 destaca que a resistência mecânica dessa mistura para emprego em camadas de base e sub-base de pavimentos deve ser igual ou superior a 2,1 MPa para um período de cura de 7 dias. Portanto, as tabelas 2 e 3 mostram que este índice é alcançado quando a mistura é constituída por 10% de escória e 10% de cal.

Tabela 2 – Resultado dos ensaios de resistência à compressão.

(Fonte: VELTEN, 2005.)

Tabela 3 – Resultado dos ensaios de resistência à compressão, com 7 dias de cura. (Fonte: VELTEN, 2005.)

Figura 3 – Resultado dos ensaios de resistência à compressão, com até 28 dias de cura.

(Fonte: VELTEN, 2005.)

Na tabela 4, mostram-se os resultados dos ensaios de compactação, englobando os parâmetros umidade ótima (hot) e peso específico aparente seco máximo (γdmax) das misturas, de acordo com as diferentes proporções de escória de alto-forno granulada moída e cal hidratada. Para fins práticos, observou-se que a adição de escória de alto-forno granulada moída e cal hidratada aos solos não conduziu a variações significativas nos parâmetros ótimos de compactação.

Tabela 4 – Umidade ótima (hot) e peso específico aparente seco máximo (γdmax) das misturas.

(Fonte: VELTEN, 2005.)

Portanto, segundo Velten (2005), a adição de escória de alto-forno a misturas empregadas em camadas de pavimentos, aumenta a resistência mecânica do pavimento, porém não causou variações significativas nos parâmetros ótimos de compactação.

5.3. Escória de Aciaria

SegundoFilev (2007)a escória de aciaria é um subproduto da produção do aço, resultado da agregação de diversos elementos que não interessam estar presentes no produto final; é composta por óxidos como CaO e MgO, podendo apresentar elevado coeficiente de expansibilidade.É heterogênea e sua composição, embora bem conhecida, pode variar de acordo com a matéria – prima utilizada na produção do aço.

5.3.1. Produção

Segundo Peixoto(2005), cerca de 12% a 16% em massa da produção mundial de aço corresponde à escória. No Brasil, cada tonelada de aço produz entre 70 kg e 170 kg de escória de aciaria. Ela pode ser gerada a partir do processamento do aço em dois tipos principais de fornos. A tabela 05 mostra as diferentes composições para as escórias de aciaria LD e de forno elétrico. Pode – se perceber que há grande variação, porém há muitas semelhanças entre elas, principalmente no que diz respeito aos óxidos.

Tabela 5 – Tipo/Composição das diferentes escórias de aciaria

Tipo

Composição (%)

SiO2

CaO

Al2O3

FeT

MgO

S

MnO

TiO2

Escória de convertedor (LD)

13.8

44.3

1.5

17.5

6.4

0.07

5.3

1.5

Escória deForno elétrico

Esc. Oxidada

19.0

38.0

7.0

15.2

6.0

0.38

6.0

0.7

Esc. Reduzida

27.0

51.0

9.0

1.5

7.0

0.50

1.0

0.7

(Fonte: FILEV, 2007)

A mais indicada para pavimentação asfáltica, por se assemelhar ao clínquer de cimento Portland®, é a LD.

Durante o processo da retirada de carbono do gusa e acréscimo de elementos de liga para a produção do aço, produzem – se muitos componentes com alto ponto de fusão e bem menos densos, que ficam flutuando no banho de metal líquido. A fim de se obter a escória e torná – la miscível são adicionados à carga metálica do conversor materiais chamados fundentes; os principais são cal (CaO), e fluorita (Ca F2). A adição destes elementos visa atingir um ponto ideal de fusão e fluidez, representado pelo diagrama ternário da escória. Abaixo é mostrada a figura 4, que esquematiza um convertedor LD.

Figura 4 – Convertedor LD

(Fonte:ARCELOR MITTAL- CST-2010)

Assim como no alto – forno, o refino do aço se processa através de reações de oxidação dos elementos “indesejados”, como Fósforo, Enxofre, Cálcio, etc... Depois dos adequados processos, devido à diferença de densidade, a escória continua suspensa no banho. Daí, ela é separada e basculada no local reservado para seu tratamento. No entanto, ela pode ainda conter partes metálicas, que são separadas ao final, antes da destinação para pavimentação e outros fins.

5.3.2. Cura e propriedades da escória de aciaria

Além do tipo de forno utilizado para produção de aço, podem afetar as propriedades finais da escória o tipo de matéria-prima utilizada, o resfriamento do rejeito, etc. A temperatura média com que este resíduo sai do LD é de 1500ºC. Seu resfriamento afeta significativamente sua granulometria, porque é neste momento que ocorre a maior parte das reações químicas (LIMA et al., 2000).

“Escórias que são resfriadas ao ar são, geralmente, inertes devido à cristalização de seus óxidos. Escórias resfriadas rapidamente (ar ou vapor) possuem natureza expandida e tornam-se leves. Escórias resfriadas bruscamente (jato d’água) são vítreas, com granulometria semelhante à areia de rio, estrutura porosa e textura áspera. As escórias ácidas costumam ser mais densas, enquanto que as básicas são mais porosas (com estrutura vesicular)” (GEYER, 2001).

A tabela 6, abaixo, trata, resumidamente, as principais características das escórias de aciaria LD. Percebe – se que ela é alcalina apresenta baixa porosidade e dureza considerável. Segundo a Companhia Siderúrgica Tubarão (CST) (2010), o fator que mais afeta nas propriedades finais deste produto é a granulometria: quanto menor, menor a resistência à compressão; quanto maior, maior resistência e maior expansão. Outras propriedades importantes são a capacidade de carga elevada e a alta resistência ao desgaste. Porém, não se pode esquecer de citar o que hoje é o maior impasse para pavimentação asfáltica: expansibilidade elevada, devido à presença de óxidos livres reativos.

Tabela 6 - Características das escórias de aciaria

Fonte: (BRANCO, 2004)

Ressalta – se a hidraulicidade. Em contato com a água a escória desenvolve características cimentares (cimentação ou concrecionamento), fenômeno este que melhora as propriedades mecânicas da camada compactada, propicia um comportamento estrutural semelhante ao das estruturas rígidas ou semi-rígidas. Para esse caso, os mesmos óxidos (CaO, SiO2... ) que antes eram prejudiciais e causavam a alta expansibilidade, são os que geram uma camada responsável por essas melhoras significativas.

Há várias maneiras, por meio de ensaios e de observações, de se mensurar a expansibilidade deste resíduo, a figura 5, abaixo, exibe a mais usual:

Leituratempo desejado – Leiturainicial

H amostra

Expansão total =

Figura 5 – Determinação da expansão da escória(BRANCO,2004)

Tem – se:

Leitura tempo desejado = Leitura realizada após o tempo determinado para ensaio;

Leitura inicial = Leitura inicial das dimensões do corpo de prova;

H amostra = Altura inicial do corpo de prova da amostra;

Relacionando – se os dados obtidos através dos ensaios pode–se montar o seguinte gráfico, descrito na figura 6, que relaciona a taxa de expansão com o tempo de cura. Conforme demonstrado, vê – se que, quanto maior o tempo de cura, maior será o teor de expansão. Tal valor, embora em constante ascensão, tem um ponto limite, determinado de acordo com a aplicação final, em que a expansão se regulariza.

Figura 6 – Relação expansão vertical X Tempo de cura, para escória LD(BRANCO,2004)

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