Cap Renato - 2007 - Avaliaçãodo Emprego De Agregado De Argila Calcinada Em Pavimentação.pdf

MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE TRANSPORTES

CAP RENATO ARAÚJO DOS SANTOS

AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE AGREGADO ARTIFICIAL DE ARGILA CALCINADA EM PAVIMENTAÇÃO

Rio de Janeiro 2008

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

CAP RENATO ARAÚJO DOS SANTOS

AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE AGREGADO ARTIFICIAL DE ARGILA CALCINADA EM PAVIMENTAÇÃO

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: ProfºJosé Renato Moreira da Silva de Oliveira,D. Sc. Profº Luiz Antônio Vieira Carneiro, D. Sc. Profº Salomão Pinto, D. Sc.

Rio de Janeiro 2008

© 2008 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha 22290-270 Rio de Janeiro, RJ

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). 625.8 Santos, Renato Araújo dos S237a Avaliação do emprego de agregado artificial de argila zzzzzzzz calcinada em pavimentação / Renato Araújo dos Santos – ZzzzzzzzRio de Janeiro:Instituto Militar de Engenharia, 2008. Zzzzzzzzzzz269 p.: il. Dissertação (mestrado) – Instituto Militar de Engenharia – Rio de Janeiro, 2008. 1. Pavimentação rodoviária. 2. Argila calcinada. 3. Concreto asfáltico. 4. Solo-agregado. 5. Pista experimental. I. Título. II. Instituto Militar de Engenharia. CDD 625.8

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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CAP RENATO ARAÚJO DOS SANTOS AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE AGREGADO ARTIFICIAL DE ARGILA CALCINADA EM PAVIMENTAÇÃO 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: ProfºJosé Renato Moreira da Silva de Oliveira,D. Sc. Profº Luiz Antônio Vieira Carneiro, D. Sc.

Rio de Janeiro 2008

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Aos meus grandes tesouros: minha esposa Kelly e minhas filhas Renata e Raphaela – razões de minha existência.

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AGRADECIMENTOS A Deus por ter me concedido o maravilhoso dom da vida e por estar comigo em todos os momentos, alegres e difíceis. Obrigado Senhor! Aos meus pais, Simões e Neide, pelo amor com o qual me criaram, pela educação excelente que recebi e por todo apoio e carinho a mim dedicados ao longo de minha existência. À minha amada esposa Kelly, pelo carinho e companheirismo em todos os momentos. Sinto-me feliz e realizado em ter você ao meu lado. Às minhas queridas filhas Renata e Raphaela, motivação maior para o meu esforço . Desculpem-me os períodos de ausência e perdoe minhas falhas. Saiba que vocês estão sempre presentes em meu coração. Ao professor e orientador D.Sc. Salomão Pinto pelos ensinamentos, orientações, apoio e incentivo durante todo o período de dissertação. Agradeço pelos conhecimentos transmitidos desde a graduação em engenharia, pela primordial e decisiva participação na construção do segmento experimental na estrada de Guaxindiba, São Gonçalo-RJ. Participou ativamente de todas as fases desse experimento inédito no Brasil: escolha do segmento, levantamento estrutural e funcional e construção. Tenho a certeza de que sem a presença deste ilustre professor não seria possível chegar ao fim deste ano com os objetivos deste estudo atingidos. Engajado com os propósitos do Instituto Militar de Engenharia, lutou incessantemente para viabilizar o emprego desta alternativa sintética de argila, há muito tempo estudada por este estabelecimento de ensino. Agradeço, sinceramente, por ter me aceitado como seu aluno, fato que me deixa muito orgulhoso. Sinto-me um privilegiado por ter tido a oportunidade de conviver e aprender com o senhor. A energia e a paixão pela pesquisa e pelo trabalho são vossas marcas registradas e devem servir de exemplo a todos os jovens engenheiros que iniciam seus estudos e atividades no meio técnico da pavimentação rodoviária brasileira. Muito obrigado mestre! Ao professor e orientador D.Sc. José Renato Moreira da Silva de Oliveira pela sua paciência, amizade e compreensão, diante das dificuldades que eu enfrentei, sempre tinha uma

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palavra de apoio e conforto. Agradeço pela ajuda na redação e estruturação do trabalho mas principalmente por me transmitir tranqüilidade e confiança durante todo o trabalho. Ao professor e também orientador D.Sc. Luiz Antônio Vieira Carneiro pela sua tolerância com relação aos meus constantes atrasos em relação ao trabalho, devido a complexidade em se conjugar pesquisa, logística e administração, tenha plena consciência que os poucos momentos que passei com o senhor foram proveitosos apenas lamento, não tê-los aproveitado mais em virtude da dinâmica desta pesquisa. Agradeço pelas orientações, pelos ensinamentos transmitidos desde a graduação na cadeira de teoria das estruturas, pela paciência e empenho na correção e aprimoramento de alguns artigos, pelas sugestões que me alertaram contra possíveis erros e descuidos e principalmente pela amizade e solidariedade. Obrigado professor! Ao professor M.Sc. Alvaro Vieira pelos ensinamentos transmitidos em suas excelentes e muito bem montadas aulas na graduação e na cadeira de mecânica dos pavimentos. O senhor com certeza foi um dos professores que despertou o meu interesse por esta área de pesquisa. Muito obrigado! Ao Cel Dias, exemplo de engenheiro militar e líder, pelo apoio decisivo em todas as fases do curso de mestrado, especialmente na matrícula. Obrigado chefe! À Fundação DER-RJ que por meio de seu Presidente, Engº Henrique Alberto Santos Ribeiro, designou o seu Diretor de Obras Metropolitanas, Engº Ângelo Monteiro Pinto que sensibilizado com a necessidade e relevância deste assunto, acatou prontamente a solicitação do professor Salomão Pinto para realização de uma pista experimental com argila calcinada. Sua intervenção e envolvimento pessoal, naquele momento, foram decisivos para o sucesso desta pesquisa. Entusiasmada com o sucesso deste experimento, esta fundação comprometeuse a viabilizar novos testes empregando argila calcinada que serão realizados por meio de um convênio a ser celebrado em breve. Engenheiros como os senhores, comprometidos com o desenvolvimento de novas tecnologias de construção, são exemplos para todos nós.

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Ao Cel Júlio e à aluna de graduação Mariana pelos ensaios realizados com as argilas empregadas no presente estudo, em seus departamentos de ensino, imprescindíveis e oportunos para o presente trabalho. Ao Cel Dower, comandante do 8º BECnst, por apoiar-me em minha decisão por realizar o curso de mestrado e por disponibilizar a sua Seção técnica para realizar alguns ensaios apresentados neste trabalho. Ao Ten Cel Osvaldo Albuquerque Fonseca por aceitar o convite para participar desta banca de avaliação, desculpe-me pelo período no qual foi enviado este texto para vossa apreciação. À Professora D. Sc. Laura Maria Goretti da Motta pelos valiosos conhecimentos transmitidos na cadeira de Materiais de Pavimentação e ao longo do período de dissertação. Destaco na Professora Laura a sua incomparável paciência e boa vontade com seus alunos. Muito Obrigado, Professora! Aos meus amigos da pós-graduação: Diniz, Guerson, Ávila, Marcelo, Sabrina, Clauber, André, Bruno, Mariana, Marcela, Ricardo e Cazelli, cujos nomes fiz questão de citar, pois foram com certeza, em toda a minha vida acadêmica, o grupo mais agradável do qual participei. Que Deus os proteja e os façam felizes. Só me desculpem por faltar a todas as reuniões “festivas”, longe de mim ser anti-social, apenas estava compensando minha ausência junto a família, devido aos momentos que tive que dedicar a minha dissertação, cuja a dificuldade todos puderam testemunhar. Aos professores da Pós Graduação em Engenharia de Transportes do IME por todos os ensinamentos transmitidos nas cadeiras do mestrado e pelas orientações durante os seminários. Ao Sgt Mozeika, Sgt Araújo e FC Wanderlei pela ajuda dos ensaios desenvolvidos no laboratório do IME.

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Ao Dr. Chequer Jabour Chequer, coordenador do IPR pela autorização do uso das instalações do laboratório do IPR para a realização dos ensaios desta pesquisa. À equipe de engenheiros do IPR, Dilma, Luciana, Prepedigna e Roberto por toda a ajuda prestada. Aos laboratoristas do IPR, Aderivaldo e Luís Claúdio, pela grande ajuda nos ensaios de ISC. Ao amigo Mac Magno Cabral que abriu mão de seus momentos de lazer para realizar levantamentos deflectométricos no segmento experimental. Muito obrigado pela ajuda. Ao laboratorista do IPR, Sérgio Romário, pela imprescindível ajuda nos ensaios e na moldagem dos corpos-de-prova. A dedicação e o zelo deste laboratorista durante a execução dos serviços impressionaram bastante, demonstrando tratar-se de um excelente profissional. Pela sua dedicação e por se tratar de uma pessoa sincera e agradável, tenho hoje o laboratorista Sérgio Romário como um grande amigo.Que Deus lhe faça muito feliz! Ao engenheiro Álvaro Dellé e ao tecnólogo Roberto Vianna do laboratório de ensaios dinâmicos da COPPE pela ajuda na realização dos ensaios de módulo de resiliência e pela amizade. A todos os funcionários do IPR pela cordial convivência e amizade. Às bibliotecas do IPR, IME, ABPv e da COPPE por toda a bibliografia consultada durante a dissertação. Ao Dr. Rodolfo, proprietário da empresa Cerâmicas Marajó, por disponibilizá-la integralmente para o desenvolvimento da presente pesquisa. À empresa R C Vieira Engenharia, por ter reunido uma excelente equipe de pavimentação para a construção do segmento experimental.

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Ao Sr. Raul por ter disponibilizado as instalações da mineradora Sartor para britagem do material empregado na pista experimental.

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“É muito melhor arriscar coisas grandiosas, alcançar triunfos e glórias, mesmo expondo-se a derrota, do que formar fila com os pobres de espírito que nem vibram muito nem sofrem muito, porque vivem nessa penumbra cinzenta que não conhece vitória nem derrota”.

THEODORE ROOSEVELT

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SUMÁRIO SUMÁRIO..................................................................................................................... 11 LISTA DE ILUSTRAÇÕES........................................................................................ 16 LISTA DE TABELAS.................................................................................................. 20 1

INTRODUÇÃO ................................................................................................ 23

1.1

Considerações iniciais ........................................................................................ 25

1.2

Objetivos da dissertação ..................................................................................... 28

1.3

Estrutura da dissertação ...................................................................................... 28

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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 31

2.1

Introdução ........................................................................................................... 31

2.2

Tipos de argila quanto a sua formação ............................................................... 33

2.2.1 Caracterização de argilas para uso tecnológico .................................................. 34 2.2.2 Propriedades das argilas ..................................................................................... 37 2.3

Principais argilominerais presentes na massa cerâmica ..................................... 39

2.3.1 Montmorilonita ................................................................................................... 41 2.3.2 Ilita ...................................................................................................................... 42 2.3.3 Caulinita.............................................................................................................. 43 2.4

Considerações sobre a influência dos argilominerais presentes em argilas nos processos cerâmicos............................................................................................ 43

2.4.1 Comportamento dos argilominerais em relação à água ...................................... 44 2.4.2 Comportamento dos argilominerais em relação aos íons estranhos em solução aquosa ................................................................................................................. 45 2.4.3 Comportamento em relação aos compostos orgânicos ....................................... 48 2.4.4 Comportamento em relação ao calor .................................................................. 49 2.5

Identificação mineralógica de argilas ................................................................. 51

2.5.1 Análise química de argilas.................................................................................. 52 2.5.2 Análise racional .................................................................................................. 52

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2.5.3 Análise clássica................................................................................................... 53 2.5.4 Interpretação da análise química......................................................................... 55 2.5.4.1 Umidade.............................................................................................................. 55 2.5.4.2 Perda ao fogo ...................................................................................................... 56 2.5.4.3 Quantidade de SiO2............................................................................................. 56 2.5.4.4 Quantidade de Al2O3........................................................................................... 57 2.5.4.5 Quantidade de TiO2 ............................................................................................ 57 2.5.4.6 Quantidade de Fe2O3 e FeO ................................................................................ 58 2.5.4.7 Quantidade de CaO e MgO................................................................................. 59 2.5.4.8 Quantidade de matéria orgânica ......................................................................... 60 2.5.5 Difração de raios X ............................................................................................. 60 2.5.6 Fluorescência de raios X..................................................................................... 61 2.5.7 Análise térmica diferencial (ATD) e análise termogravimétrica (ATG)............ 62 2.5.8 Microscopia eletrônica de varredura................................................................... 63 2.6

Comparação entre técnicas instrumentais........................................................... 64

2.7

Agregados de argila ............................................................................................ 65

2.7.1 Agregados artificiais de argila expandida........................................................... 66 2.7.2 Agregados reciclados de telha - ART ................................................................. 73 2.7.3 Agregados artificiais de argila calcinada ............................................................ 75 2.8

Metodologia de produção de agregado artificial de argila calcinada ................. 76

2.8.1 1ª fase – ensaios .................................................................................................. 77 2.8.2 2ª fase - determinação de modelo e produção do agregado................................ 83 2.8.2.1 Produção do agregado em olaria......................................................................... 83 2.8.2.2 Produção do agregado em unidade específica .................................................... 87 2.8.3 3ª fase da metodologia: dimensionamento para emprego em pavimentação...... 87 3

PLANO EXPERIMENTAL DE LABORATÓRIO ...................................... 90

3.1

Introdução ........................................................................................................... 90

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3.2

Materiais e métodos dos ensaios......................................................................... 90

3.2.1 Argilas para produção de agregado artificial de argila calcinada....................... 90 3.2.2 Solos ensaiados ................................................................................................... 91 3.2.3 Agregados graúdos ............................................................................................. 93 3.2.4 Agregado miúdo ................................................................................................. 95 3.2.5 Cal hidratada - material de enchimento .............................................................. 95 3.2.6 Cimento Asfáltico de Petróleo (cap)................................................................... 95 3.3

Ensaios mecânicos em solos, misturas solo-agregados e argila calcinada graduada.............................................................................................................. 96

3.3.1 Índice de suporte califórnia – ISC ...................................................................... 96 3.3.2 Ensaio de módulo de resiliência em solos .......................................................... 99 3.3.3 Ensaio de deformação permanente em solos .................................................... 103 3.4

Ensaios mecânicos em misturas asfalticas com agregado graúdo de argila calcinada ........................................................................................................... 106

3.4.1 Módulo de resiliência ....................................................................................... 106 3.4.2 Resistência à tração........................................................................................... 108 4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS DE ENSAIOS DE LABORATÓRIO........................................................................................................ 111 4.1

Introdução ......................................................................................................... 111

4.2

Ensaios das matérias-primas empregadadas na produção dos agregados artificiais de argila calcinada ............................................................................ 111

4.2.1 Microscopia estereoscópica .............................................................................. 112 4.2.2 Resistência à flexão - RF .................................................................................. 114 4.2.3 Microscopia eletrônica de varedura.................................................................. 118 4.3

Ensaios com agregados de argila calcinada...................................................... 121

4.3.1 Abrasão Los Angeles e absorção dos lotes produzidos .................................... 122 4.4

Ensaios com argila calcinada: estabilização granulométrica e mistura soloagregado............................................................................................................ 126

4.4.1 Resultados de índice de suporte califórnia – ISC ............................................. 127

13

4.4.2 Módulo de resiliência ....................................................................................... 132 4.5

Determinação expedita da resistência à água sobre agregados graúdos (ABNT NBR 14329)...................................................................................................... 143

4.6

Dosagem Marshall e características da massa asfáltica empregada ................. 143

4.7

Ensaios com concreto asfáltico – módulo de resiliência e resistência à tração 146

5

PISTA EXPERIMENTAL............................................................................. 149

5.1

Introdução ......................................................................................................... 149

5.2

1ª fase – ensaios: preliminares e complementares ............................................ 149

5.3

2ª fase – determinação de modelo de produção................................................ 150

5.3.1 Produção na olaria ............................................................................................ 150 5.3.2 Britagem ........................................................................................................... 156 5.4

3ª fase – emprego pioneiro de argila calcinada em pavimentação: pista experimental ..................................................................................................... 159

5.4.1 Localização e caracterização da pista experimental ......................................... 159 5.4.2 Produção de mistura asfáltica em usina de asfalto ........................................... 162 5.4.2.1 Estocagem e manuseio de materiais empregados em misturas asfálticas......... 162 5.4.2.2 Proporcionamento e alimentação do agregado frio no secador ........................ 163 5.4.2.3 Secagem e aquecimento eficiente do agregado ................................................ 165 5.4.2.4 Controle e coleta de pó ..................................................................................... 166 5.4.2.5 Proporcionamento, alimentação e mistura do ligante asfáltico com o agregado aquecido ............................................................................................................ 167 5.4.2.6 Estocagem e controle das misturas asfálticas produzidas................................. 169 5.4.3 Construção do segmeto experimental ............................................................... 170 5.5

Ensaios para avaliação do desempenho do segmento experimental................. 175

6 AVALIAÇÃO DE ESTRUTURAS DO PAVIMENTO COM AGREGADO ARTIFICIAL DE ARGILA CALCINADA ............................................................. 180 6.1

Introdução ......................................................................................................... 180

6.2

Dimensionamento de estrutura com argila calcinada pelo método do dner e análise mecanística ........................................................................................... 180

14

6.3

Modelo de Hogg ............................................................................................... 183

6.4

Emprego do produto r.d0 em retroanálise simplificada com base no modelo de Hogg ................................................................................................................. 186

6.5

Avaliação da metodologia simplificada............................................................ 193

7 CONCLUSÕES, RECOMENDAÇÕES E SUGESTÕES DE PESQUISAS FUTURAS ................................................................................................................... 198 7.1

Ensaios realizados com agregados artificiais de argila calcinada..................... 198

7.3

Ensaios com concreto asfáltico de argila calcinada.......................................... 201

7.4

Avaliação de pavimento constituído por argila calcinada com o modelo de hogg .......................................................................................................................... 202

7.5

Sugestões de pesquisas futuras ......................................................................... 202

8

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 205

9

APÊNDICE ..................................................................................................... 215

9.1

APÊNDICE: ENSAIOS COMPLEXOMÉTRICOS – ARGILAS ................... 216

9.2

APÊNDICE: CARACTERIZAÇÃO DAS MISTURAS SOLO-AGREGADOS E ARGILA CALCINADA GRADUADA........................................................... 231

9.3

APÊNDICE: TABELAS COM RESULTADOS DE ÍNDICE DE SUPORTE CALIFÓRNIA DE MISTURAS SOLO-AGREGADOS E ARGILA CALCINADA GRADUADA........................................................................... 233

9.4

APÊNDICE: FICHAS DE ENSAIOS DE MÓDULO DE RESILIÊNCIA E DEFORMAÇÃO PERMANENTE – SOLO-ARGILA CALCINADA E ARGILA CALCINADA GRADUADA........................................................... 235

9.5

APÊNDICE: TABELAS COM NUMERAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVAS, RESULTADOS DE MÓDULO DE RESILIÊNCIA E RESISTÊNCIA À TRAÇÃO – CONCRETO ASFÁLTICO ......................................................... 253

9.6

APÊNDICE: DOSAGEM MARSHALL DE CONCRETO ASFÁLTICO – ARGILA CALCINA E SEIXO-ROLADO ...................................................... 257

10

ANEXO............................................................................................................ 267

10.1

ANEXO: CONTAGEM E PESAGEM CLASSIFICATÓRIA DE TRÁFEGO DA ESTRADA DO GUAXINDIDIBA FORNECIDA PELO DER/RJ .......... 268

15

LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIG. 1.1 Área carente em agregados da região amazônica ............................................ 25 FIG. 2.1 Comparação entre as escalas principais de dimensões de partículas em sólidos. ............................................................................................................................ 31 FIG. 2.2 Textura de argilas e solos................................................................................. 35 FIG. 2.3 Estruturas básicas dos argilominerais e suas representações em camadas ...... 39 FIG. 2.4 Representação esquemática em camadas de argilominerais ............................ 40 FIG. 2.5 Estrutura cristalina da montmorilonita............................................................. 41 FIG. 2.6 Estrutura cristalina da ilita ............................................................................... 42 FIG. 2.7 Estrutura cristalina da caulinita........................................................................ 43 FIG. 2.8 Viscosidade e Plasticidade conforme a capacidade de troca de alguns cátions47 FIG. 2.9 Fases da adição de água a pós-secos de argilominerais ................................... 47 FIG. 2.10 Classificação para o uso cerâmico com base na cor após a queima............... 51 FIG. 2.11 Técnicas de análise térmicas .......................................................................... 62 FIG. 2.12 Detalhes do Microscópico Eletrônico de Varredura ...................................... 64 FIG. 2.13 Composições químicas das argilas expansivas .............................................. 67 FIG. 2.14 Esquema construtivo do trecho experimental da BR-116/RJ ........................ 69 FIG. 2.15 Exemplo de unidade produtora de agregado artificial de argila expandida ... 72 FIG. 2.16 Comparação entre Ensaios com ART e mistura solo-ART ........................... 74 FIG. 2.17 Fluxograma da metodologia proposta............................................................ 76 FIG. 2.18 Diagrama de Granulometria Winkler............................................................. 78 FIG. 2.19 Etapas da produção em olaria e britagem ...................................................... 84 FIG. 3.1 Croqui da jazida do km 115 da BR 163/PA..................................................... 92 FIG. 3.2 Limites da Faixa C - DNER-ES 303/97........................................................... 98 FIG. 3.3 Limites da Faixa III - DER/PR ES-P 05/05 ..................................................... 98 FIG. 3.4 Procedimentos adotados para realização de ensaio de módulo de resiliência 102 FIG. 3.5 Equipamento triaxial dinâmico do IME......................................................... 103

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FIG. 3.6 Equipamento para ensaio de módulo de resiliência ....................................... 106 FIG. 3.7 Apresentação do resultado de módulo de resiliência de ensaio realizado ..... 107 FIG. 3.8 Detalhe do corpo-de-prova com dispositivo para fixação dos LVDTs.......... 108 FIG. 3.9 Ensaio de compressão diametral .................................................................... 109 FIG. 3.10 Prensa Marshall no ensaio de resistência à tração do IPR ........................... 109 FIG. 4.1 Representação do processo de calcinação e coalescimento de material cerâmico .......................................................................................................................... 112 FIG. 4.2 Estereomicroscopia de superfície fraturada de corpos-de-prova tratados termicamente (aumento de 320x) ..................................................................... 114 FIG. 4.3 Relação entre a resistência à flexão e temperatura de queima ....................... 115 FIG. 4.4 Relação entre a contração e temperatura de queima ...................................... 117 FIG. 4.5 Influência do tempo de queima na contração a 600°C................................... 117 FIG. 4.6 Micrografia da superfície fraturada - 1100°C / 30 min.................................. 118 FIG. 4.7 Absorção e densidade aparente em função da temperatura de queima.......... 121 FIG. 4.8 Densidades real e aparente dos lotes produzidos ........................................... 122 FIG. 4.9 Histograma de lotes produzidos por faixa de absorção.................................. 124 FIG. 4.10 Absorção e abrasão Los Angeles dos lotes produzidos ............................... 125 FIG. 4.11 Índice de Suporte Califórnia de misturas solo-agregados............................ 128 FIG. 4.12 Incremento do Índice de Suporte Califórnia dos solos estudados ............... 129 FIG. 4.13 Influência da energia de compactação nos resultados de ISC...................... 130 FIG. 4.14 Índice de Suporte Califórnia (ACG - 0, 2 e 4 dias de imersão) .................. 131 FIG. 4.15 Índice de Suporte Califórnia de Argila Calcinada Graduada....................... 132 FIG. 4.16 Módulo de resiliência de misturas solo-agregados (30%, 50% e 70%)....... 133 FIG. 4.17 Comportamento de resiliente e ISC de misturas solo-argila calcinada........ 134 FIG. 4.18 Influência da energia de compactação nos resultados de Módulo de Resiliência......................................................................................................... 135 FIG. 4.19 Incremento de módulo de resiliência dos solos estudados........................... 135 FIG. 4.20 Módulo de Resiliência de Argila Calcinada Graduada (Faixa C)................ 136 FIG. 4.21 Deformação total (Solo-agregado - h=200 mm) .......................................... 141 17

FIG. 4.22 Deformação total (Estabilização granulométrica – h=200 mm) .................. 141 FIG. 4.23 Limites da faixa B e traços de concreto asfáltico com argila calcinada....... 144 FIG. 4.24 Variação do volume de vazios e relação betume-vazios doTraço 3 ............ 145 FIG. 4.25 Granulometria dos pétreos e limites da faixa B do DNIT............................ 146 FIG. 5.1 Pátio de estocagem de argilas da empresa Cerâmicas Marajó LTDA ........... 150 FIG. 5.2 Blocos cerâmicos para produzir agregado artificial de argila calcinada........ 151 FIG. 5.3 Processamento de massa cerâmica em olaria................................................. 152 FIG. 5.4 Lote piloto extrusado para realização de ensaios complementares................ 153 FIG. 5.5 Cura com aproveitamento do calor dos fornos .............................................. 154 FIG. 5.6 Exemplos de fornos em Olarias ..................................................................... 154 FIG. 5.7 Chama incidindo diretamente nos blocos cerâmicos ..................................... 155 FIG. 5.8 Transporte dos blocos para a unidade de britagem em Tanguá-RJ................ 155 FIG. 5.9 Unidades de britagem empregadas................................................................. 156 FIG. 5.10 Britagem dos blocos cerâmicos produzidos em Tanguá-RJ ........................ 158 FIG. 5.11 Imagem de satélite e foto do local escolhido para a pista experimental ...... 160 FIG. 5.12 Seção original e final do pavimento do trecho experimental....................... 160 FIG. 5.13 Viga Benkelman usada na avaliação estrutural do pavimento original ....... 161 FIG. 5.14 Resultado do levantamento deflectométrico ................................................ 161 FIG. 5.15 Exemplos de usinas de asfalto ..................................................................... 162 FIG. 5.16 Estocagem dos materiais que comporam a mistura asfáltica produzida...... 163 FIG. 5.17 Alimentação dos silos de agregados frios .................................................... 164 FIG. 5.18 Esteira condutora de agregado para o tambor secador................................. 165 FIG. 5.19 Detalhe da saída do secador de contrafluxo................................................. 165 FIG. 5.20 Tipos de secadores de usinas de asfalto ....................................................... 166 FIG. 5.21 Sistema coletor de pó da usina empregada no presente estudo.................... 166 FIG. 5.22 Entupimento da usina de asfalto de fluxo contínuo ..................................... 168 FIG. 5.23 Sistema computadorizado de controle de massa asfáltica produzida........... 169

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FIG. 5.24 Pintura de ligação com RR-1C..................................................................... 170 FIG. 5.25 Carregamento e lançamento da mistura asfáltica......................................... 172 FIG. 5.26 Comportamento da massa asfáltica no laboratório e no campo................... 172 FIG. 5.27 Etapas envolvidas na construção do segmento experimental ...................... 173 FIG. 5.28 Rolagem de compactação com rolo de pneus .............................................. 174 FIG. 5.29 Rolagem de acabamento com rolo tandem liso............................................ 174 FIG. 5.30 Extração de corpo-de-prova da estrada do Quaxindida (São Gonçalo-RJ).. 175 FIG. 5.31 Avaliação estrutural do segmento experimental construído ........................ 177 FIG. 5.32 Instrumentação do segmento experimental com sensores de pista piezoelétricos e loops ................................................................................................ 178 FIG. 5.33 Pistas Experimentais com uso de argila calcinada....................................... 179 FIG. 6.1 Fluxograma para o dimensionamento de pavimentos.................................... 181 FIG. 6.2 Tela de entrada de dados com resumo dos resultados do FEPAVE2 ............ 182 FIG. 6.3 Representação esquemática do modelo de Hogg ........................................... 184 FIG. 6.4 Exemplos de pavimentos equivalentes .......................................................... 187 FIG. 6.5 Pavimento equivalente segundo o modelo de Hogg ...................................... 188 FIG. 6.6 Ábaco para avaliação estrutural de pavimentos flexíveis pelo produto Rd0 .. 190 FIG. 6.7 Deformadas de estruturas de pavimento analisadas....................................... 195 FIG. 6.8 Deformadas de estruturas teóricas de pavimento analisadas ......................... 196

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LISTA DE TABELAS TAB. 2.1 Capacidade de troca de cátions....................................................................... 46 TAB. 2.2 Capacidade de troca de ânions........................................................................ 46 TAB. 2.3 Limites da água em massa cerâmica para obtenção da plasticidade ótima .... 48 TAB. 2.4 Reações por faixas de temperaturas - Caulinita ............................................. 49 TAB. 2.5 Reações por faixas de temperaturas - Montmorilonita................................... 50 TAB. 2.6 Reações por faixas de temperaturas - Ilita...................................................... 50 TAB. 2.7 Determinações gravimétricas e volumétricas usuais do método clássico ...... 54 TAB. 2.8 Técnicas para a determinação elementar e de fases de cerâmicas.................. 65 TAB. 2.9 Características do agregado sintético empregado no trecho experimental..... 69 TAB. 2.10 Granulometria da mistura de agregados – PMF ........................................... 70 TAB. 2.11 Granulometria da mistura de agregados - CA .............................................. 71 TAB 2.12 Ensaios preliminares...................................................................................... 77 TAB. 2.13 Faixas sugeridas pela metodologia para perda ao fogo (PF) e composição química de argilas ............................................................................................... 80 TAB. 2.14 Ensaios da etapa complementar da metodologia para produção de agregado artificial de argila calcinada................................................................................ 81 TAB. 2.15 Diferenciais de custos possíveis de serem implantados em uma olaria ....... 89 TAB. 3.1 Granulometria, densidade real e limites de Atterberg .................................... 91 TAB. 3.2 Métodos de ensaios de caracterização de solos .............................................. 93 TAB. 3.3 Granulometria dos agregados produzidos em Tanguá-RJ.............................. 93 TAB. 3.4 Características dos agregados graúdos de argila calcinada estudados .......... 94 TAB. 3.5 Características dos agregados usuais dos meios rodoviários analisados........ 94 TAB. 3.6 Granulometria e principais características físicas da cal hidratada ................ 95 TAB. 3.7 Características do ligante empregado neste estudo – CAP 30/45 .................. 96 TAB 3.8 Corpos-de-prova para realização de ISC com solo-agregado ......................... 97 TAB 3.9 Planejamento experimental com estabilização granulométrica....................... 98

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TAB. 3.10 Pares de tensões para solos argilosos em ensaios triaxiais cíclicos (DNER – ME 131/94)....................................................................................................... 100 TAB. 3.11 Pares de tensões em ensaios triaxiais cíclicos – (COPPE/UFRJ e IME).... 101 TAB 3.12 Planejamento experimental de ensaios de deformação permanente em misturas solo-argila calcinada (corpos-de-prova)............................................. 104 TAB 3.13 Planejamento experimental de ensaios de deformação permanente em argila calcinada graduada (corpos-de-prova).............................................................. 105 TAB. 4.1 Resistência à flexão dos prismas em função da temperatura de queima ...... 115 TAB. 4.2 Contração das diagonais dos corpos-de-prova após tratamento térmico...... 116 TAB. 4.3 Origem e finalidade do emprego das argilas ensaiadas............................... 119 TAB. 4.4 Elementos químicos presentes nas argilas analisadas (MEV-EDS)............. 120 TAB. 4.5 Óxidos presentes nas argilas analisadas (MEV-EDS).................................. 120 TAB. 4.6 Estatística dos ensaios realizados nos lotes .................................................. 125 TAB. 4.7 Granulometria, limites e classificação da Argila Calcinada Graduada ........ 126 TAB. 4.8 Granulometria das misturas solo-agregados estudadas ................................ 126 TAB. 4.9 Limites de consistência, densidade real e classificação das misturas soloagregados .......................................................................................................... 127 TAB. 4.10 Índice de Suporte Califórnia e expansão dos solos, misturas solo-agregados e estabilizações granulométricas analisadas ........................................................ 128 TAB. 4.11 Análise estatística dos resultados dos ensaios de Módulo de Resiliência .. 133 TAB. 4.12 Constantes k1, k2 e k3 do modelo composto MR = k1σ3k2σdk3 e R2 obtido . 137 TAB. 4.13 Regressão linear múltipla – Solo A ............................................................ 138 TAB. 4.14 Regressão linear múltipla – 50%Solo A-50%Argila Calcinada................. 139 TAB. 4.15 Regressão linear múltipla – Argila Calcinada Graduada ........................... 139 TAB. 4.16 Condições de execução do ensaio de deformação permanente .................. 140 TAB. 4.17 Modelo de MONISMITH para previsão deformação plástica da camada . 142 TAB. 4.18 Combinação de agregados dosados pelo método Marshall ........................ 143 TAB. 4.19 Mistura de pétreos das misturas asfálticas dos segmentos experimentais.. 144 TAB. 4.20 Característica da massa asfáltica dosada para o segmento experimental ... 144

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TAB. 4.21 Módulo de Resiliência e Resistência à Tração (Argila calcinada) ............. 146 TAB. 4.22 Módulo de Resiliência e Resistência à Tração (Seixo-Rolado) ................. 147 TAB. 4.23 Característica da massa asfáltica dosada para o segmento experimental ... 147 TAB. 5.1 Agregado artificial de argila calcinada produzido em Tanguá-RJ ............... 157 TAB. 5.2 Granulometria dos agregados produzidos em Tanguá-RJ............................ 159 TAB. 5.3 Limites do Índice de Gravidade Global........................................................ 161 TAB. 5.4 Características da emulsão RR-1C empregada............................................ 170 TAB. 5.5 Grau de compactação do concreto asfáltico executado ................................ 175 TAB. 5.6 Resultados de Módulo de Resiliência e Resistência à Tração...................... 176 TAB. 6.1 Resultados do dimensionamento e estrutura de pavimento obtida............... 180 TAB. 6.2 Vida de fadiga (N) de amostras de CAP em função da diferença de tensões (∆σ) ................................................................................................................... 183 TAB. 6.3 Parâmetros básicos do modelo de Hogg....................................................... 185 TAB. 6.4 Constituição das estruturas teóricas analisadas ............................................ 193 TAB. 6.5 Comprovação da retroanálises simplificada empregando FEPAVE2 .......... 194 TAB. 9.1 Massa específica aparente seca (MEAS) e Umidade ótima (hótima) de misturas solo-agregados e argila calcinada pura ............................................................. 232 TAB. 9.2 Resultados de Índice de Suporte Califórnia – ISC ....................................... 234 TAB. 9.3 Numeração dos corpos-de-prova de concreto asfáltico................................ 254 TAB. 9.4 Resultados de módulo de resiliência (MR) e resistência à tração (RT)........ 256

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RESUMO A falta de agregados naturais em algumas partes do território brasileiro, particularmente na região Amazônica, aumenta consideravelmente os custos de construção rodoviária nestas áreas. Um dos principais benefícios das construções rodoviárias nesta região é a melhoria da acessibilidade, que contribui significativamente para o crescimento econômico e o desenvolvimento daquela região. O presente trabalho teve por objetivo avaliar o uso de agregado artificial de argila calcinada, uma possível alternativa em material pétreo para estas regiões, em misturas solo-agregados e concreto asfáltico para emprego em pavimentação rodoviária. Um programa experimental foi realizado e consistiu nos ensaios de Índice Suporte Califórnia, módulo de resiliência e deformação permanente em solos tropicais estabilizados com argila calcinada, de caracterização das amostras de argila, usadas na confecção do agregado artificial de argila calcinada, de dosagem pelo método de Marshall e ensaios de módulo de resiliência e resistência à tração em concreto asfáltico com argila calcinada. Os solos foram estabilizados com agregado artificial de argila calcinada nas proporções variando entre 15% e 85%, em massa, compactados em energias modificada e intermediária. O concreto asfáltico analisado na presente pesquisa apresentava argila calcinada na sua fração graúda de mistura de pétreos. Os resultados desses ensaios foram analisados e serviram como subsídios para a construção de uma pista experimental com revestimento em concreto asfáltico com agregado artificial de argila calcinada. A pista experimental teve sua bacia de deflexão levantada com o uso de viga Benkelman para avaliação estrutural do pavimento construído. Além disso, com o auxílio do programa FEPAVE2, foi feita uma análise dos resultados obtidos de vários perfis típicos de pavimentos com agregados de argila calcinada empregando-se o modelo Hogg.

Concluiu-se que, à luz das normas preconizadas e especificações de serviço de pavimentação do DNIT (Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes), o uso de agregado artificial de argila calcinada em pavimentação é uma boa alternativa para a construção de sub-base, base e revestimento asfáltico, particularmente em regiões do país onde agregados pétreos são escassos.

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ABSTRACT The lack of natural aggregates in some portions of the Brazilian territory, particularly in Amazon region, increases considerably the road construction costs at these areas. One of the main benefits of road constructions at such isolated areas is the improvement of accessibility which contributes significantly to economic growth and regional development. The main goal of this present work was to evaluate the usage of artificial calcined clay, one possible alternative of aggregate for these regions, in soil-aggregate mixtures and concrete asphalt for road paving. An experimental program was conducted and consisted in tests of California Bearing Ratio, Resiliente Modulus and Permanent Deformation of tropical soils stabilized with calcined clay, characterization of clay samples used in the manufacture of artificial aggregates, dosage by the Marshall method, Resiliente Modulus and Tensile Strength of asphalt concrete with artificial calcined clay aggregate. The soils were stabilized with artificial calcined clay aggregate in proportions between 15% and 85%, in mass, compacted in modified and intermediate energy. The concrete asphalt evaluated was composed by artificial calcined clay aggregate as course aggregate. The results of these tests were analyzed and used in the construction of a experimental track with concrete asphalt with artificial calcined clay aggregate. The experimental track had its basin of deflection raised with the use of Benkelman beam for structural evaluation . Furthermore, with the aid of the program FEPAVE2, it was carried out an application of the obtained results verifying several typical pavements profiles, using calcined clay aggregate, with the Hogg model.

In the light of Brasilian’s preconized standards and specifications for paving services, DNIT – Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes, the conclusion was that the usage of artificial calcined clay aggregate is a satisfactory alternative for sub-base, base and asphalt pavements, particularly in regions where natural stony aggregates are scarce.

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1

INTRODUÇÃO

1.1

Considerações iniciais O Brasil é um país de dimensão continental possuindo aproximadamente

8.547.393 km2 de área e 72.302 km de rodovias federais pavimentadas e não pavimentadas. Algumas partes de determinadas regiões ainda se encontram sem qualquer ligação terrestre com as demais regiões. A carência de agregados em algumas partes do território brasileiro, particularmente na região norte, aumenta consideravelmente o custo da construção. As formações geológicas dessas regiões normalmente são desfavoráveis à ocorrência de rochas, FIG. 1.1. Logo, a ausência de jazidas, para prover material pétreo para as construções rodoviárias, eleva substancialmente os valores dos serviços de pavimentação.

FIG. 1.1 Área carente em agregados da região amazônica Fonte: VIEIRA 2000 apud BATISTA 2004

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Com isso, nas regiões carentes em agregados, os valores dos serviços de pavimentação são reflexos dos preços proibitivos praticados com esses materiais. Normalmente isso se deve às grandes distâncias de transportes entre as jazidas e as obras rodoviárias que por vezes, utilizam mais de um modal. Nesse sentido, o agregado artificial de argila calcinada tem por principal objetivo suprir a carência de material pétreo destas regiões. Entretanto, atualmente não só questões econômicas norteiam essa pesquisa, mas também questões ambientais. A utilização de seixo rolado e laterita em pavimentação traz uma série de prejuízos ao meio ambiente, principalmente em cursos d’águas, local normalmente de onde são retirados os seixos rolados e lavadas as lateritas que são empregadas em pavimentação. A introdução do agregado artificial de argila calcinada, como alternativa de uso em obras rodoviárias, possivelmente reduzirá os preços dos serviços de pavimentação na região norte, que necessitam de agregados, em virtude das abundantes jazidas de argilas disponíveis e do grande número de olarias existentes nesta região. Como os agregados são empregados em diversos serviços de pavimentação, dentre os quais destacam-se as estabilizações granulométricas de solos ou misturas soloagregados para emprego em base, sub-base ou reforço do subleito e as misturas asfálticas nos revestimentos. Em concreto asfáltico os agregados ocupam de 80% a 90% do volume total ocupado pela massa asfáltica o que representa em massa, aproximadamente, 95 % da mistura asfáltica logo, o seu impacto no custo final de uma obra é considerável (NCHRP Report 539, 2001). Além da carência de agregados, essas regiões normalmente possuem solos com características consideradas não muito favoráveis, do ponto de vista tradicional, para utilização rodoviária, devido principalmente a sua granulação fina e plasticidade relativamente elevadas, comuns aos solos tropicais. Isso se deve ao fato das classificações tradicionais de solos terem sido concebidas, em sua grande maioria, nos países do hemisfério norte com climas temperados onde a fração areia e silte são quase que totalmente compostas por quartzo enquanto nos solos tropicais outros minerais são encontrados nessas frações. Nesse sentido, a fração argila com presença distinta de determinados argilominerais podem diferenciar amplamente dois solos com distribuição granulométrica semelhante (FORTES, 2001). 26

Um dos principais reflexos para a malha rodoviária federal, devido a carência de material pétreo e ausência de solo considerados aptos ao emprego em pavimentação segundo critérios tradicionais, encontram-se registrados no anuário estatístico de 2005 da Agência Nacional de Transporte Terrestre - ANTT, onde dos 14.329 km de rodovias federais da região norte do Brasil, o que representa 19,81% da malha rodoviária federal nacional, pouco mais de 58 % dessa extensão é não pavimentada (AETT, 2005). Como se sabe, o crescimento econômico e o desenvolvimento regional são garantidos pela acessibilidade que uma região possui. A utilização do agregado artificial de argila calcinada pode viabilizar investimentos em infra-estrutura rodoviária importantes para integração dessa região ao resto do país, garantindo assim a sua acessibilidade, indispensável para a movimentação de bens, serviços e pessoas. Entretanto, o domínio do conhecimento sobre um novo material alternativo, como os sintéticos de argila, aos tradicionais e consolidados no meio rodoviário, requer uma ampla investigação da matéria-prima. A caracterização químico-mineralógica de argilas, e a determinação das propriedades que seus componentes atribuem às massas cerâmicas permitem estudar os beneficiamentos que devem ser feitos a uma massa cerâmica para alterar uma ou várias propriedades do corpo cerâmico, e melhorar as propriedades do produto final, como por exemplo, o agregado artificial de argila calcinada (COELHO, 2002). Como sugerido pela metodologia de produção dos agregados artificiais de argila calcinada, estes podem ser produzidos em unidades específicas ou em olarias convencionais. A utilização de olarias convencionais se mostra mais interessante, uma vez que reduz o aporte de capital pois normalmente já se encontram instaladas em áreas com jazidas de argilas disponíveis. Além disso, é possível consorciar a produção de peças cerâmicas com os blocos especiais para produção dos agregados sintéticos de argila sem prejuízo para a mesma. O objetivo geral dessa dissertação é avaliar a utilização de olarias e unidades de britagem convencionais na produção de agregados artificiais de argila calcinada e contribuir para introdução dessa alternativa de pétreo sintético de argila em obras rodoviárias em regiões carentes em agregados. Além disso, os resultados obtidos nessa dissertação sobre o emprego dessa alternativa de pétreo podem contribuir para o aumento da eficiência produtiva de áreas segregadas no território nacional, indução ao desenvolvimento em áreas de expansão de fronteira agrícola e mineral e redução de desigualdades regionais em áreas deprimidas. 27

1.2

Objetivos da dissertação Os objetivos da presente dissertação são: a) Realizar um estudo abrangente sobre o possível emprego do agregado

artificial de argila calcinada, produzido em olaria, para emprego camadas de revestimento, base, sub-base e reforço do subleito. b) Estudar o comportamento de misturas solo-argila calcinada à luz dos conceitos tradicionais e à luz dos modernos conceitos da mecânica dos pavimentos: resiliência e deformação permanente. c) Avaliar o potencial dos ensaios e métodos de caracterização de massas cerâmicas, argilas, para otimização da produção de agregados com características técnicas satisfatórias ao emprego, como material de pavimentação, em base e revestimento. d) Analisar o emprego de olaria na produção de agregados artificiais de argila calcinada para emprego como agregado graúdo em concreto asfáltico. e) Avaliar as características físicas e mecânicas dos agregados sintéticos de argila produzidos por olarias em escala industrial. f) Reportar os procedimentos e adaptações a serem realizadas em uma olaria e unidade de britagem para produção do agregado artificial de argila calcinada para emprego nas camadas de um pavimento: revestimento, base, sub-base e subleito. g) Identificar as principais modificações e cuidados a serem observados nas operações de usinagem, transporte, lançamento e compactação de massa asfáltica contendo agregado graúdo de argila calcinada. h) Avaliar a adoção de critério de aceitação simplificado, ensaios de absorção e abrasão Los Angeles, de lotes de agregado artificial de argila calcinada produzido. Contribuir para a obtenção de dados que sirvam de subsídio para a utilização do agregado artificial de argila calcinada em concreto asfáltico e em misturas soloagregado. 1.3

Estrutura da dissertação A presente dissertação está estruturada em cinco capítulos da seguinte forma: Capítulo 1 – Introdução. 28

Capítulo 2 – Revisão bibliográfica. Este capítulo apresenta considerações gerais sobre argilas, tecnologia das argilas e argilominerais, a influência dos argilominerais nas massas cerâmicas e nos processos cerâmicos, ensaios e métodos de caracterização química e mineralógica das argilas e interpretação de seus resultados, alternativas de pétreos de argilas: expandida, reciclados de telha e calcinada e a metodologia proposta de produção de argila calcinada para emprego como material pétreo em engenharia civil, especialmente em construção rodoviária. Capítulo 3 – Programa experimental. Neste capítulo são caracterizados os materiais empregados na presente pesquisa, os métodos e ensaios utilizados. Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados. São apresentados e analisados os resultados dos ensaios de caracterização dos agregados artificiais de argila calcinada produzidos. Os valores de Índice de Suporte Califórnia, Módulo de Resiliência e comportamento a deformação permanente de misturas solo-agregados e estabilizações granulométricas com argila calcinada bem como, Módulo de Resiliência e Resistência à Tração de misturas asfálticas dosadas pelo método Marshall também são apresentados e analisados. Capítulo 5 – Pista experimental. Capítulo dedicado ao acompanhamento da execução de uma pista experimental com concreto asfáltico, empregando agregado graúdo de argila calcinada em sua mistura de pétreos. Reporta-se o comportamento deste agregado em todas as fases da metodologia de produção e emprego em pavimentação. Capítulo 6 – Avaliação de estruturas de pavimento com agregado artificial de argila calcinada. É realizada uma aplicação dos resultados obtidos a partir do levantamento deflectométrico realizado na pista experimental executada, com o auxílio do programa FEPAVE2, empregado retroanálise simplificada. Também foram determinadas bacias de deflexões de perfis de pavimentos teóricos, utilizando-se esta alternativa de agregado, e comparadas as das respectivas estruturas equivalentes, empregando o modelo de Hogg. Capítulo 7 – Conclusões, recomendações e sugestões de estudos futuros. São apresentadas as conclusões do estudo realizado e algumas recomendações e sugestões para estudos futuros nessa mesma linha de pesquisa. Apêndice – Neste, encontram-se tabelas com os resultados dos ensaios realizados com misturas solo-agregados, estabilizações granulométricas com argila calcinada e concreto asfáltico. Sendo estes ensaios os seguintes: Índice de Suporte 29

Califórnia, Módulo de Resiliência, Deformação Permanente e Resistência à Tração. Também consta do apêndice, alguns ensaios complexométricos realizados com as matérias-primas empregadas no presente estudo e as dosagens Marshall dos traços de concreto asfáltico analisados. Anexo – Consta do anexo o relatório de pesagem por eixo e categoria realizado no local da construção da pista experimental pela Fundação DER-RJ.

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2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1

Introdução A argila é um material natural, terroso, de granulação fina, quimicamente

constituída por silicatos hidratados de alumínio, ferro e magnésio que geralmente adquire, quando umedecido com água, certa plasticidade. Entretanto, o nome “argila” também designa um grupo de partículas do solo cujas dimensões se encontram entre uma faixa específica de valores. A FIG. 2.1 apresenta uma comparação entre as escalas das principais dimensões das partículas sólidas em solos utilizadas na construção civil por diversos departamentos e institutos de pesquisa, inclusive a da ABNT – Associação Brasileira de Norma Técnicas – NBR 6502/95.

FIG. 2.1 Comparação entre as escalas principais de dimensões de partículas em sólidos Fonte: Adaptado de SOUZA SANTOS, 1989 A argila é uma das matérias-primas cerâmicas mais amplamente utilizadas devido ao seu baixo preço, decorrente da facilidade de sua obtenção e abundância na natureza. A utilização da argila em processos cerâmicos normalmente se dá sem

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qualquer melhoria e quando misturada em proporções corretas, a argila e a água formam uma massa plástica que é muito suscetível à modelagem (CALISTER JUNIOR, 1999). Do ponto de vista mineralógico, as argilas se caracterizam por serem constituídas em grande parte de minerais específicos, denominados minerais de argila ou argilominerais, ocorrendo, normalmente, em caráter subordinado, outros materiais e minerais associados, tais como quartzo, feldspatos, micas, óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio, carbonatos, matéria orgânica, etc (SOUZA SANTOS, 1989 apud VARELA, 2001). Os atuais meios científicos permitem a identificação da composição, estrutura e propriedades fundamentais dos constituintes das argilas. A aplicação desses conhecimentos científicos fundamentais para as indústrias, artes e profissões, que trabalham com essa matéria-prima, segundo GRIM (1955) apud SOUZA SANTOS (1989), denomina-se tecnologia de argilas. É consenso no meio científico que as propriedades físico-químicas de determinada argila e, conseqüentemente a sua possível aplicação para determinado fim, dependem dos argilominerais que a constitui. Uma argila qualquer pode ser composta por partículas de apenas um argilomineral como por vários. Identificar a relação existente entre os argilominerais presentes em determinada argila com suas propriedades tecnológicas é imprescindível para determinar a matéria-prima adequada para produção, por exemplo, dos agregados artificiais de argila: expandida e calcinada. Para identificar os prováveis argilominerais presentes em determinada argila empregam-se análises térmicas, químicas e mineralógicas. Através destas análises é possível estudar as alterações que devem ser feitas nas massas cerâmicas para melhorar as propriedades de corpos cerâmicos produzidos. Segundo KELLER (1949) apud SOUZA SANTOS (1989), as argilas podem ser usadas em processos industriais como matéria-prima fundamental, quer específica, ou como componente acessório ou alternativo, isto é, para cujo emprego não é necessário que seja especificamente uma argila, podendo outro material inorgânico ser usado para essa finalidade. Acrescenta-se aos processos industriais nos quais utilizam argila como matéria prima fundamental, a produção de agregados cerâmicos para pavimentação: expandidos ou calcinados.

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2.2

Tipos de argila quanto a sua formação Segundo SOUZA SANTOS (1989), as antigas literaturas sobre a utilização

industrial das argilas referiam-se a estas por sua ocorrência e forma de deposição. Modernamente, as argilas são consideradas como residuais ou transportadas. As argilas residuais ou primárias são aquelas que permaneceram no local de formação devido a condições adequadas de intemperismo, topografia e natureza da rocha matriz. Segundo KELLER (1962) apud SOUZA SANTOS (1989), intemperismo é um termo petrológico usado como sinônimo da decomposição ou degradação de rochas, ou seja, uma resposta dos materiais da litosfera às condições de contato com atmosfera, hidrosfera e principalmente biosfera. As jazidas de argilas residuais têm aproximadamente as mesma características da rocha matriz e podem estar recobertas por formações posteriores. As argilas residuais em sua grande maioria são das idades pleitocênica, pós-paleozóicas e algumas da Idade Mesozóica. Quando as argilas são removidas do local original de formação estas são chamadas de transportadas, secundárias ou sedimentares. O seu transporte é feito por águas, geleiras ou ar e a sua deposição final pode ser em rios de baixa velocidade de correnteza, lagos, pântanos, mares, camadas de loess ou morenas terminais ou frontais. A distinção do ciclo das argilas sedimentares dos demais ciclos, deve-se ao fato dela ser transportada em suspensão e não em solução e também por depositar-se por sedimentação mecânica ao invés de precipitar-se orgânica ou quimicamente, entretanto é notório que a presença de águas ricas em sais acelera esse processo. As argilas sedimentares podem ser divididas em: marinhas, de estuário, lacustres, de pântanos e fluviais. - Argilas marinhas: São argilas transportadas mecanicamente por correntes em águas calmas a certa distância da costa; - Argilas de estuário: Argilas que se depositam em braços oceânicos rasos, são de extensão limitada que contêm camadas ou áreas de laminação arenosa, com teores crescentes de areia à medida que se aproximam dos rios; - Argilas lacustres: Ocorrem em bacias restritas e estão tipicamente alternadas por camadas de areia, comuns em leitos de lagos glaciais. Essas argilas são geralmente

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da idade recente, abundantes em áreas em que houve glaciação e utilizadas em cerâmica vermelha; - Argilas de pântano: São freqüentes sob lençóis de carvão e restos de troncos de árvores, podem ser encontradas em posição vertical nesses depósitos. As camadas são pequenas, lenticulares com pequena ou nenhuma laminação. São muito plásticas, de cone pirotécnico elevado, bastante puras, ricas em caulinita e matéria orgânica. Formam-se a partir de material suspenso em correntes de baixa velocidade trazido para pântanos carboníferos, onde a vegetação do bordo retém o material mais grosseiro, permitindo a entrada e sedimentação da fração mais fina na bacia carbonífera. Os ácidos orgânicos, provenientes da abundância de matéria orgânica nessas bacias, eliminam os metais pesados e principalmente o ferro, tornando-as argilas refratárias que ao serem queimadas apresentam coloração clara – tijolo branco; - Argilas fluviais: Argilas fluviais, ou de margem de rios ou várzea, são depositadas em locais protegidos em planícies de inundação, durante períodos de enchentes. Em conseqüência, os depósitos têm a forma de bolsões e gradam lateralmente em siltes e materiais arenosos. Os bolsões podem produzir argilas de granulometria fina e muito plásticas e de composição mineralógica distinta dos demais bolsões. As correntes fluviais podem dar origem a depósitos semelhantes em bacias isoladas em deltas, sendo conhecidas como argilas de deltas. As argilas fluviais são extremamente abundantes e também são geralmente utilizadas em cerâmica vermelha. Portanto, em função da variabilidade da constituição das argilas é difícil classificá-las. Essa complexidade deu origem a uma nomenclatura geográfica e outra geológica.A geográfica identifica a argila pela localidade de sua extração e a geológica a classifica de acordo com o local de ocorrência da argila em relação à rocha matriz. 2.2.1 Caracterização de argilas para uso tecnológico Caracterizar uma argila, especialmente visando o seu uso tecnológico, é conhecer a variabilidade de seu comportamento. É possível prever determinado comportamento com base em suas propriedades físico-químicas, análise química, troca de cátions e microscopia eletrônica de transmissão ou varredura. Segundo SOUZA SANTOS (1989), uma argila tem que ser caracterizada preliminarmente para a utilização tecnológica, ou seja, deve-se medir e/ou determinar experimentalmente algumas de suas propriedades listadas a seguir: 34

a) Textura – É um termo compreensivo macroscópico para a argila “sólida” que é conseqüência da distribuição granulométrica, das formas das partículas constituintes, da orientação das partículas umas em relação às outras e das forças que unem as partículas entre si. A FIG. 2.2 ilustra uma forma de descrever a textura de solos e argilas conforme são encontrados naturalmente. LAMELAR

COLUNAR

EM BLOCOS

ESFEROIDAL

Lamelar Platiforme

Prismático

Colunar

Blocos

Nodular

Granular

Folhelho

Esfarelada Terrosa

FIG. 2.2 Textura de argilas e solos Fonte: SOUZA SANTOS (1989) b) Composição mineralógica – A caracterização mineralógica é importante para identificação de matéria prima adequada para produção de materiais cerâmicos e principalmente quando se trata de agregados de argila. A coloração após a queima, os elementos químicos constituintes da massa cerâmica e a identificação de sua estrutura cristalina são imprescindíveis para determinação da composição mineralógica. • Cor – Utilização do dicionário de cores de Munssell para identificação da composição mineralógica; •

Composição Química – PF; SiO2; Al2O3; Fe2O3; FeO; CaO; MgO; K2O; Na2O; e

•

Identificação dos Componentes

não-cristalinos

(ácidos silícicos; cliaquita

alofano e matéria orgânica) e cristalinos. - Identificação dos Componentes cristalinos: não-argilominerais ou minerais macroscópicos (detritais + rocha-mãe), qualitativa e quantitativa. - Argilominerais: I. Vários grupos e espécies – qualitativa. II. Vários grupos e espécies – quantitativa 35

- Minerais macroscópicos finamente divididos com diâmetro até 2 µm e menores. c) Íons trocáveis •

Capacidade de troca de Cátions (CTC) de argilominerais, matéria orgânica e outros componentes como as Zeólitas e Ácidos Silícicos, se houver;

•

Cátions trocáveis – Natureza e percentual (NA, K, H3O, Ca, Mg, Al e Fe) e o teor percentual;

•

Sais solúveis – natureza e teor;

•

Ânions adsorvidos – natureza e teor;

•

Cátions orgânicos – natureza e teor; e

•

Complexos “argila + materiais orgânicos” e compostos intercalados.

d) Propriedades micromeríticas •

Granulometria em peneira até USS nº 325 (abertura de 44 µm);

•

Distribuição granulométrica até o diâmetro de 2 µm ou inferior;

•

Área específica;

•

Formas das partículas isoladas;

•

Forma do aglomerado no estado natural; e

•

Porosidades aparente, real e total.

e) Sistema argila + água •

Plasticidade;

•

Dispersões coloidais;

•

Defloculação e floculação de dispersão coloidal; e

•

Propriedades reológicas.

f) Propriedades físico-mecânicas em função da temperatura – propriedades cerâmicas •

Método de conformação: manual, prensada, extrusada e colada;

•

Retração de secagem a 110 º C e após a queima a 950º C, 1250º C e 1450º C;

• Tensão de ruptura após secagem a 110 º C e após a queima a 950º C, 1250º C e 1450º C; 36

• Massa específica aparente, absorção de água e porosidade aparente após queima a 950º C, 1250º C e 1450º C; e •

Refratariedade ou cone pirométrico equivalente.

g) Propriedades tecnológicas especificadas, mensuráveis em laboratório, do emprego da massa cerâmica como: •

carga ou enchimento;

•

ligante;

•

agente descorante;

•

agente catalítico;

•

pigmento;

•

abrasivo; e

•

agente de suspensão. De acordo com KELLER (1949) e FERREIRA (1972) apud SOUZA SANTOS

(1989) pelo conhecimento de um conjunto dessas propriedades é possível prever, com bastante segurança, a qual produto industrial uma argila se destina. Na busca de uma melhor previsão dos resultados da calcinação da argila para produção de pétreos sintéticos de argila é possível a utilização de algum desses critérios, específicos das tecnologias de argilas, associados a ensaios correntes do meio rodoviário para seleção de matéria-prima, solo, e agregados de qualidade satisfatória ao emprego em serviços de pavimentação. 2.2.2 Propriedades das argilas Independente da complexidade em classificar as argilas, GRIM (1953) apud SOUZA SANTOS (1989) afirma que geralmente os fatores que determinam as propriedades de uma argila e possibilitam a sua descrição são: − Composição mineralógica dos argilominerais qualitativa e quantitativamente, e a distribuição granulométrica destas partículas; − A

composição

mineralógica

dos

não-argilosminerais,

quantitativamente, e a distribuição granulométrica destas partículas;

37

qualitativa

e

− Teor em eletrolíticos, quer dos cátions trocáveis, quer de sais solúveis, qualitativa e quantitativamente; − Natureza e teor dos componentes orgânicos; e − Características texturais da argila, tais como forma dos grãos de quartzo, grau de orientação ou paralelismo das partículas dos argilominerais, silicificação e outros. Devido a complexidade da constituição das argilas, dados de análise química, isoladamente, sem informação adicional, obtidos por difração de raio X e análise térmica diferencial podem levar a conclusões errôneas sobre seus possíveis empregos. A classificação e a nomenclatura de uma argila não devem ser confundidas com as dos argilominerais que a constitui. GRIM (1953,1958) apud SOUZA SANTOS (1989) apresentou para os argilominerais a seguinte classificação simplificada: a) Amorfos •

Grupo dos Alofanos

b) Cristalinos •

Tipos de duas camadas (1:1) - Equidimensional: caulinita; e - Alongada: haloisita.

•

Tipos de três camadas (2:1) - Com retículo cristalino expansivo: I Equidimensional:montmorilonita e vermiculita;e II Alongado: saponita e nontronita - Com retículo cristalino não-expansivo: ilita

•

Camadas mistas regulares: clorita.

•

Tipos estruturais em cadeia: paligorsquita e sepiolita. O estudo das propriedades das argilas e principalmente, a identificação dos

argilosminerais que a constituem oferecem atrativos especiais como campo de pesquisa, pois é um dos raros casos em que as pesquisas fundamentais, físico-química dos solo, essencialmente de laboratório, podem ser aplicadas imediatamente nos vários ramos da ciência: cerâmicas, petróleo, metalurgia, engenharia civil e outros (SOUZA SANTOS, 1989).

38

2.3

Principais argilominerais presentes na massa cerâmica De acordo com KIRSCH (1972), os argilominerais são silicatos hidratados de

alumínio que podem conter também outros componentes como cálcio, magnésio, ferro, sódio e potássio. A estrutura básica de todos argilominerais consiste em camadas de tetraedros de sílica e camadas de alumínio coordenado octaédricamente, nas quais os átomos de silício e alumínio estão rodeados por 4 e 6 átomos de oxigênio respectivamente, como se vê na FIG. 2.3.

FIG. 2.3 Estruturas básicas dos argilominerais e suas representações em camadas Fonte: KIRSCH, 1972 apud MITCHELL, 1993 Existem minerais de duas camadas, uma camada de sílica e uma de alumina coordenadas octaédricamente, e de três camadas, nos quais uma camada de alumina se situa entre duas camadas de sílica. Estas camadas de silicatos assim formadas, que consiste em duas ou três camadas isoladas, empilham-se uma no topo da outra, ligandose por força de van der Waals, pontes de hidrogênio ou cátions trocáveis. Os resultados dos experimentos realizados com argilas, na busca de uma massa cerâmica ideal para produção de agregado artificial de argila calcinada, sugerem que estas devem conter pelo menos, de forma predominante, um dos seguintes argilominerais: ilita, caulinita, ou montmorilonita, independentemente do percentual que esta predominância seja observada (CABRAL, 2005). A FIG. 2.4 ilustra a representação em camadas destes principais argilominerais.

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Pontes de H

(a) Caulinita

(b) Ilita

(c) Montmorilonita

FIG. 2.4 Representação esquemática em camadas de argilominerais Fonte: CRAIG, 1990 Entretanto, KIRSCH (1972), cita que os produtos provenientes de olarias como telhas, tijolos e manilhas podem ter como matéria prima quase qualquer argila, inclusive folhelhos desde que o percentual de caulinita presente nesta não seja superior a 30%. Este mesmo autor além de advertir que percentuais elevados de caulinita são desfavoráveis em cerâmica estrutural, sugere matérias primas de granulação fina com percentual entre 25 e 50 % de minerais não-argilosos. Segundo BATES (1959) apud VARELA (2001), os argilominerais são formados de três maneiras: alterações hidrotérmicas, intemperismo e sedimentos. Quando ocorre a formação por alterações hidrotérmicas a ação de líquidos e soluções de temperatura superior a ambiental, gases quentes, especialmente de vapor superaquecido ou soluções aquosas quentes, conduz à alteração de rochas e conseqüentemente à formação de argilominerais. No caso de formação por intemperismo e que ocorram em temperaturas próximas as do ambiente, os minerais ferromagnesianos se decompõem em primeiro lugar, seguindo-se os feldspatos e depois as micas. Por fim, nas formações por sedimento, as argilas podem conter qualquer agrupamento de argilominerais (GRIM e ALLEN, 1938, SOUZA SANTOS, 1989, apud VARELA, 2001). O comportamento na moldagem, secagem e queima da argila no processo cerâmico está diretamente ligado a presença de determinados argilominerais. A seguir serão citadas algumas características dos principais argilominerais presentes em massas cerâmicas.

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2.3.1 Montmorilonita Os argilominerais deste grupo são constituídos por duas folhas de silicatos tetraédricos, com uma folha central octraédrica, unidas entre si por oxigênios comuns às folhas, conforme se verifica na FIG. 2.5.

Cátions trocáveis n.H2O

FIG. 2.5 Estrutura cristalina da montmorilonita Fonte: KIRSCH, 1972. As argilas constituídas por esses argilominerais geralmente possuem, em elevado grau, propriedades plásticas e coloidais, e apresentam grandes variações em suas propriedades físicas. Essas variações podem freqüentemente ser atribuídas a variação na natureza dos cátions trocáveis que neutralizam a estrutura cristalina e a fatores estruturais e composicionais como variação na população das posições octaédricas. A montmorilonita tem a propriedade de aumentar expressivamente as propriedades plásticas e coloidais da argila em conjunto com a ilita. Desaconselham-se concentrações acima de 3% desse elemento nas argilas, pois este argilomineral provoca grande variação linear na secagem e na queima das argilas, contudo a sua presença em percentuais abaixo do citado anteriormente melhora a trabalhabilidade da massa cerâmica. 41

2.3.2 Ilita Este argilomineral foi descoberto por GRIM em 1937. A sua estrutura cristalina, FIG. 2.6, é semelhante à da montmorilonita, com a diferença de que há uma substancial substituição de alumínio por silício, o que confere uma carga maior à estrutura cristalina. Como conseqüência dessas diferenças, as camadas estruturais são rigidamente ligadas e não expandem, possuindo uma distância interplanar basal fixa de 10,1Å (SOUZA SANTOS, 1989).

FIG. 2.6 Estrutura cristalina da ilita Fonte: KIRSCH, 1972 A substituição do silício pelo alumínio provoca uma perturbação da neutralidade elétrica da estrutura cristalina, a qual é compensada pelo cátion de potássio, agente neutralizante.Este argilomineral é formado por folhas de três camadas cuja unidade estrutural básica é a folha composta, constituída por duas camadas de alumínio coordenados octaedricamente. A presença de Ilita torna as argilas muito plásticas, de fácil moldagem e de boa secagem. Algumas por possuírem ferro em sua composição contribuem para a coloração avermelhada do produto final, o qual é liberado por volta de 900° C em forma de hematita (VARELA, 2002).

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2.3.3 Caulinita O argilomineral caulinita é formado pelo empilhamento regular de camadas 1:1 em que cada camada consiste de uma folha de tetraedro de SiO4 e de uma folha de octaedros Al2(OH)6, também chamada de folha de gibsita, ligadas entre si em uma única camada, através de oxigênio em comum, resultando em uma estrutura fortemente polar, conforme FIG. 2.7. A caulinita pura é inadequada à produção de cerâmica vermelha devido à cor branca após a queima, às propriedades de perda de massa e à elevada contração linear. Entretanto, por encontrar-se geralmente misturada com grãos de areia, óxidos de ferro e outros elementos, em quantidades tão pequenas, não influencia negativamente o produto final (AGNELLO, 1960 apud VARELA, 2001).

FIG. 2.7 Estrutura cristalina da caulinita Fonte: KIRSCH, 1972 2.4

Considerações sobre a influência dos argilominerais presentes em argilas nos

processos cerâmicos O agregado artificial de argila calcinada produzido em olaria convencional é submetido às mesmas condições executivas de um produto cerâmico convencional, observando-se apenas alguns critérios seletivos de matéria-prima e temperatura de queima, sugeridos pela metodologia de produção deste material. Portanto, conhecer o comportamento das argilas em um processo produtivo é imprescindível no estudo deste agregado.

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As argilas que se aplicam na produção de telhas são geralmente as mesmas empregadas na produção do agregado artificial de argila. Segundo KIRSCH (1972), as argilas para telhas, em conseqüência de seu elevado conteúdo de fluxos (álcalis, calcário e compostos de ferro), amolecem entre 1000ºC e 1200ºC, assim, não são refratárias. Essas peças cerâmicas são conformadas hidroplasticamente e possuem uma porosidade significativa além de possuir uma resistência que é insuficiente para a maioria das aplicações práticas. A secagem é o processo no qual o líquido auxiliar da operação de conformação, a água, é removido. No meio ceramista, um corpo cerâmico que tenha sido conformado e que esteja seco é dito cru. As argilas utilizadas na confecção de telhas contêm, sobretudo, ilita, caulinita e montmorilonita, em quantidades diversas, bem como outros componentes: quartzo, moscovita, feldspato, biotita, hornblenda, glauconita, pirita, marcassita, óxidos de ferro e substâncias orgânicas. Os argilominerais são os principais responsáveis pelo comportamento de uma argila no processo cerâmico. Portanto, as considerações aqui apresentadas devem ser consideradas durante a seleção das argilas que comporão a massa cerâmica da produção do agregado artificial de argila calcinada. 2.4.1 Comportamento dos argilominerais em relação à água Os argilominerais, ao serem umedecidos, absorvem avidamente a água. As águas presentes em uma argila, segundo KIRSCH (1972), são: a) água dos poros – presente nos vazios entre os cristais, ou entre os agregados de cristais; b) água ligada por adsorção – águas que penetram os poros e se adsorvem as superfícies dos argilominerais carregados negativamente devido ao caráter dipolar das moléculas de água. Esta água é responsável, por exemplo, para a determinação dos limites de estado, Atterberg, e propriedades físico-mecânicas dos materiais cerâmicos. c) água intralamelar – presente entre as lamelas dos cristais produzindo um forte inchamento intracristalino. Os minerais do grupo montmorilonita são os mais

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acometidos por esse inchamento. A quantidade de água interlamelar depende da pressão do vapor do ambiente e ajusta-se continuamente a um estado de equilíbrio. Os minerais do grupo ilita e do grupo do caulim, assim como as cloritas mostram apenas um poder pequeno de inchamento, o que é condicionado estruturalmente. Quanto pior for a ordenação cristalina destes minerais, tanto mais cedo se registra uma certa capacidade de inchamento moderado. Alguns argilominerais ao serem misturados em muita água, podem, se o tamanho das partículas forem suficientemente pequenos, formar suspensões que, ao ficarem em repouso por algum tempo, tomam a consistência de um gel, (uma suspensão de 3% de montmorilonita em água, por exemplo). A propriedade que um pó de argilomineral em suspensão em certa quantidade de água tem de se tornar gel, denomina-se tixotropia. A importância técnica dessa propriedade é constatada em atividades de perfuração de poços que fazem uso de lama bentonítica, bem como nos processos de filtração e sedimentação. 2.4.2 Comportamento dos argilominerais em relação aos íons estranhos em solução aquosa Os argilominerais podem abrigar certos cátions como Na+, K+, NH4+, H+, Ca2+ e Mg2+ e ânions SO42-, Cl-, PO43- e NO3-. Estes cátions ficam retidos em estado suscetível à troca em meio aquoso ou não, ocasionalmente. Os íons trocáveis prendem-se às superfícies das partículas de argila e, normalmente, não penetram na estrutura. A capacidade de troca iônica mede-se em miliequivalentes/g, ou em miliequivalente/100 g de argilomineral, cuja medição se faz a um pH 7. Os cátions mais comuns trocados por este modo são: Ca2+, Mg2+, H+,K+, NH4+, Na+. Segundo KIRSCH (1972), a capacidade de troca iônica tem, em particular, grande importância técnica para a plasticidade: as argilas que são carregadas com Na+ possuem, por exemplo, outras propriedades que as contêm Ca2+ como cátion trocável. A TAB 2.1 apresenta o poder de troca de cátions de alguns argilominerais.

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TAB. 2.1 Capacidade de troca de cátions Poder de troca de cátions Caulinita Halloysita (2H2O) Halloysita (4 H2O) Montmorilonita Ilita Vermiculita Clorita

Miliequivalentes / 100 g 3-15 5-10 10-40 80-150 10-40 100-150 10-40

Fonte: KIRSCH, 1972 A rapidez com que ocorre a troca de catiônica varia com o tipo de argilomineral, a concentração de cátions, o tipo e a concentração dos ânions: - Caulinita: muito rápida; - Montmorilonita e Vermiculita: lenta; e - Ilita e Clorita: muito lenta. A natureza dos cátions trocáveis pode ser determinada pela determinação do pH: - pH 9: Na+ - pH 7,5: Ca2+ - pH 7: H+ As determinações do poder de troca de ânions foram medidas por KIRSH (1972) em três argilominerais e os resultados estão reunidos na TAB. 2.2. Propriedades como a plasticidade e a viscosidade variam conforme a capacidade de troca de alguns cátions, conforme se verifica na FIG. 2.8. TAB. 2.2 Capacidade de troca de ânions Poder de troca de ânions Montmorilonita Vermiculita Caulinita

Miliequivalentes / 100 g 20-30 4 6-20

Fonte: KIRSCH, 1972

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FIG. 2.8 Viscosidade e Plasticidade conforme a capacidade de troca de alguns cátions Fonte: KIRSCH, 1972 As argilas tornam-se plásticas, após intervalo curto de tempo, quando são misturadas com líquidos que constituídos de moléculas polares, como a água (H2O). Os líquidos apolares, tais como (CCl4), não as tornam plásticas. Observam-se três fases distintas quando se adiciona água a pós secos de argilominerais, FIG. 2.9:

FIG. 2.9 Fases da adição de água a pós-secos de argilominerais Fonte: KIRSCH, 1972 - 1ª Fase – Inicialmente ao acrescentar-se água, esta se liga completamente às superfícies dos argilominerais, sob a forma de uma película orientada, água não fluida. Se as camadas de água não fluida de duas partículas de argilomineral se sobrepõem imediatamente, forma-se então, entre ambas as partículas, uma ligação forte, resistente à secagem. - 2ª Fase – Quando a água adicionada passa a se interpor às chamadas águas não fluidas, ela age como um lubrificante permitindo maior mobilidade aos argilominerais, ou seja, aufere plasticidade a estes.

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- 3ª Fase – Aumentando-se a quantidade de água a ponto dela preponderar sobre as não fluidas, perde-se a plasticidade e se formam as suspensões. KIRSCH (1972) ainda sugere uma faixa de umidade para a qual a plasticidade da massa cerâmica é adequada, observando-se a predominância de certos argilominerais, nos processos cerâmicos. A TAB. 2.3 apresenta as percentagens de água a serem acrescidas, em relação à massa seca da argila, de acordo com o argilomineral presente. TAB. 2.3 Limites da água em massa cerâmica para obtenção da plasticidade ótima Argilomineral Caulinita Ilita Caulinita

Água (%) Mínimo Máximo 9,0 60,0 17,0 40,0 83,0 250,0

Fonte: KIRSCH, 1972 A plasticidade de uma argila depende dos argilominerais que a constitui, dos cátions trocáveis, da forma e do tamanho das partículas, do grau de cristalização e da preparação da argila. As argilas com o argilomineral montmorilonita predominante apresentam plasticidade bem maior que outras. Quanto maiores as partículas mais plásticas e quanto menor for o grau de cristalização, melhor é a plasticidade. No que tange à preparação da argila, o aquecimento prévio à 250°C faz com que a plasticidade baixe consideravelmente e à 600°C o material se torna não-plástico. 2.4.3 Comportamento em relação aos compostos orgânicos Os compostos orgânicos não-iônicos podem ser adsorvidos e fixados à superfície das partículas do argilomineral mediante ligações do tipo van der Waals, ou pontes de hidrogênio e os cátions ou ânions orgânicos podem substituir os cátions ou os ânions inorgânicos por troca iônica.

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2.4.4 Comportamento em relação ao calor Os argilominerais, quando aquecidos até 150º C, perdem a água dos poros e a água adsorvida. Entre 400 e 900º C, ocorre a expulsão da água ligada estruturalmente sob a forma de grupos de OH. Na mesmo âmbito de temperatura, a estrutura cristalina é parcialmente destruída ou modificada. Sob temperatura de 900°C, aproximadamente, ocorre destruição ampla da estrutura cristalina; então, em alguns casos isolados, já pode dar-se a fusão total ou parcial. Na maior parte dos casos, entretanto, segue, após a destruição da estrutura cristalina e conseqüente produção de componentes amorfos, um intervalo no qual se formam, a partir destes últimos, fases cristalinas (por exemplo, mullita, cristobalita, etc). Depois disto, à medida que a temperatura se eleva, ocorre a fase vítrea e finalmente fusão do material. A seguir são reportadas observações de KIRSCH (1972) com relação às principais ocorrências com a massa cerâmica, com determinado argilomineral predominante (TAB. 2.4, TAB. 2.5 e TAB 2.6), durante o aquecimento:

•

Caulinita TAB. 2.4 Reações por faixas de temperaturas - Caulinita

Temperatura (°C) 100 – 150 200 – 300 400 – 500 400 – 600 500 – 920 600 – 900 A partir de 950°C 1200°C 1650°C – 1775°C

Reações Perda da água dos poros, da água adsorvida e redução do volume. Oxidação das impurezas orgânicas. Oxidação das impurezas contendo sulfetos. Perda dos grupos-OH, ligados estruturalmente. As impurezas carbonatadas (Calcita, dolomita e siderita) desprendem CO2. Formação SiO2 e Al2O3 residuais e amorfos dotados de forte capacidade de reagir; Surgimento de Al2O3 solúvel em ácidos. Formação de mullita (3 Al2O3.2 SiO2) Mullita e a cristobalita formadas. Fusão após fase de vitrificação; Presença de ferro, álcalis e solos alcalinos provocam redução do ponto de fusão. Fonte: KIRSCH, 1972

49

•

Montmorilonita Semelhante à caulinita, com exceção das reações, nos seguintes intervalos de

temperatura: TAB. 2.5 Reações por faixas de temperaturas - Montmorilonita Temperatura (°C) 100 – 300 450 – 850 900 – 1300 1000 – 1400

Reações Perda da capacidade de inchamento pela expulsão completa de água interlamelar. Perda dos grupos-OH, ligados estruturalmente. Formação de fases cristalinas: cristobalita, anortita, cordierita ou mulita de acordo com a composição química. Início da fusão, variável conforme a composição. Fonte: KIRSCH, 1972.

•

Ilita Semelhante à caulinita, a perda dos grupos das hidroxilas (-OH), ligados

estruturalmente começa quando a temperatura atinge 400° C, e pode continuar até 900°C. TAB. 2.6 Reações por faixas de temperaturas - Ilita Temperatura (°C) A partir de 800 940 1100 – 1400

Reações Formação de espinélio. Início da formação de mullita. Início da fusão, variável conforme a composição. Fonte: KIRSCH, 1972

Os argilominerais, quando aquecidos até 150°C, perdem a água dos poros e a água adsorvida. Entre 400 e 900° C, ocorre a expulsão da água ligada estruturalmente sob a forma de hidroxilas (OH-). Como citado anteriormente, a coloração após a queima é um indício de presença de determinados argilominerais. A FIG. 2.10 apresenta uma classificação de argilas para o uso cerâmico com base na observação da cor após a queima a 950ºC, 1250ºC e 1450ºC.

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FIG. 2.10 Classificação para o uso cerâmico com base na cor após a queima Fonte: SOUZA SANTOS, 1989 2.5

Identificação mineralógica de argilas O estudo mineralógico de argilas propicia a determinação dos argilominerais

presentes em determinada massa cerâmica e o quão adequados estes são, para o fim a que se destinam. Atualmente diversos métodos estão disponíveis para qualificar e quantificar uma massa cerâmica com relação aos elementos químicos presentes e sua estrutura cristalina. O conhecimento da capacidade desses métodos e a correta interpretação de seus resultados conduz a obtenção de agregados artificiais de argila calcinada adequados ao uso em pavimentação. A capacidade que um dado método de análise tem de identificar e quantificar quantidades mínimas de um dado elemento numa amostra chama-se sensibilidade. Designa-se por limite mínimo de detecção a quantidade mínima de um elemento presente em uma amostra que possibilite a sua identificação. Na maioria dos sistemas de análise este limite é da ordem de microgramas de elementos por grama de amostra (µg/g), em alguns casos chega a ordem dos nanogramas por grama (ng/g).

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2.5.1 Análise química de argilas A análise química de argilas não permite uma avaliação completa da composição mineralógica e das propriedades físico-químicas e tecnológicas, entretanto fornece dados de grande utilidade industrial e científica. Para realizar a análise química de argilas podem ser empregadas as análises racional e química propriamente dita (JACKSON e MACKENZIE, 1964 apud SOUZA SANTOS,1989) 2.5.2 Análise racional Além dos argilominerais, as argilas podem conter impurezas como: quartzo, feldspato, micas, óxidos e hidróxidos de ferro e de alumínio, matéria orgânica e compostos químicos não-cristalinos ou amorfos. Segundo SANTINI e CAPUANI (1956) apud SOUZA SANTOS (1989), apesar da análise química racional não oferecer resultados satisfatórios para argilas de composição muito complexa, o seu emprego nos demais casos oferece resultados satisfatórios. O processamento da análise racional consiste em tratar a argila com ácidos e hidróxidos alcalinos para separar a “substância argilosa” do quartzo e feldspato e, em seguida, calcular o teor de feldspato dosando o teor de alumínio. Na análise racional os elementos químicos são todos considerados como existentes na forma de óxidos possibilitando o cálculo aproximado da composição mineralógica da argila. RIES (1928) apud SOUZA SANTOS (1989) sugeriu as seguintes relações para o cálculo aproximado da composição mineralógica da argila com base nos óxidos presentes: %Na2O x 5,60 = %SiO2 no feldspato sódico (NaAlSi3O8) % K2O x 3,83 = % SiO2 no feldspato potássico (KAlSi3O8) % Na2O x 1,63 = % Al2O3 no feldspato sódico % K2O x 1,09 = % SiO2 no feldspato potássico % Al2O3 total - % Al2O3 de feldspato = % Al2O3 na “substância argilosa” (Al203.2SiO2.2H2O) % Al2O3 da “substância argilosa” x 1,18 = % SiO2 de feldspato sódico e potássico. % Feldspato = % Na2O x 8,45 + % K2O x 5,92 52

% “Substância argilosa” = 100 % - % (Quartzo + Feldspato) Segundo HOFMANN E HAACKE (1962) apud SOUZA SANTOS (1989), o potássio presente em uma argila também pode ser proveniente da mica moscovita KAl3SiO3O10(OH)2 - finamente dividida (sericita). Por isso, estes autores propuseram que a análise racional de uma argila fosse calculada com base nos percentuais da caulinita, mica e quartzo, que são obtidos a partir do teor de óxido de alumínio da argila e de sua perda ao fogo. Devido à essa observação, os autores citados propuseram as seguintes relações: % Al2O3 de caulinita e mica = 38,5 % % Perda ao fogo da caulinita = 14,0 % % Perda ao fogo da mica = 4,5 % % (Caulinita + Mica) na argila = % Al2O3 da argila x (100/38,5) % Caulinita na argila =(% P.F. – 0,045 x (% de caulinita + % de mica))/0,095 % Quartzo na argila = 100 - % (caulinita + mica) A análise racional, apesar de ter sua utilização restrita a materiais contendo apenas caulinita e halosita com pouco quartzo e feldspato, pode ser de utilidade para o conhecimento dos teores desses materiais a fim de calcular e preparar a massa cerâmica desejada. Quando visualmente se percebe a ausência de feldspato, mas sim mistura de caulim, quartzo e mica (sericita), a análise racional normal não pode ser aplicada, entretanto é possível aplicar os cálculos propostos por Hofmann e Haacke (SOUZA SANTOS, 1989). Os resultados da análise racional calculada divergem dos obtidos em uma análise racional direta por considerarem o material com sendo essencialmente caulinita, quartzo e feldspato (ou mica). 2.5.3 Análise clássica O método clássico utilizado na análise química é demorado, mas permite a obtenção de resultados mais exatos que os demais métodos. Atualmente utilizam-se métodos complexométricos e instrumentais para análise de argilas, atentando com relação às restrições de seus usos. A TAB. 2.7 apresenta resumo sobre determinações gravimétricas e volumétricas do método clássico dos principais elementos.

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A análise química costuma ser executada segundo o chamado método clássico que, apesar de ser bastante trabalhosa e demorada, permite a obtenção de resultados bastante exatos. As determinações usuais do método clássico são gravimétricas: umidade, perda ao fogo (P.F.), SiO2, Al2O3, MgO, CaO, Na2O e K2O; volumétricas: Fe2O3, FeO, TiO2, CaO; e colorimétrica: Fe2O3 e TiO2. TAB. 2.7 Determinações gravimétricas e volumétricas usuais do método clássico Umidade Perda ao Fogo SiO2 Al2O3 FeO Fe2O3 TiO2

Determinada em estufa a 110ºC Determinada em mufla a 1100ºC Decomposição do material por meio de fusão com carbonato de sódio em mufla a atmosfera suficientemente oxidante ou com maçarico. A sílica deve ser desidratada utilizando-se os ácidos clorídrico ou perclórico. Obtidos da filtragem da sílica, fazendo-se a precipitação com hidróxidos de amônio. Pode-se fazer a reprecipitação com o mesmo reagente ou com 8-hidroxiquinoleína. Os óxidos são obtidos por calcinação e fundidos com pirossulfato de potássio para a determinação do titânio e do ferro. Fonte: SOUZA SANTOS, 1989

Por colorimetria, o ferro e o titânio, obtidos por calcinação e fusão dos óxidos, são dosados. O titânio é dosado usando água oxigenada como reagente produtor de cor e em caso excepcionais, após a redução com amálgama de zinco, pode-se titulá-lo com solução aquosa de azul-de-metileno. O ferro, dependendo de sua concentração, é dosado por colorimetria usando-se solução de tiocianato de amônio ou então se titulando com solução de dicromato de potássio. O cálcio é um elemento pouco encontrado nas argilas brasileiras devido ao elevado grau de intemperismo nesse país. A sua presença pode ser dosada por precipitação com oxalato e subseqüente titulação com permanganato de potássio. O magnésio é dosado precipitando-o como fosfato e calcinando-o até pirosfofato. Se a argila contiver manganês, ele precipitará com o magnésio.

Sua

determinação se dá fundindo os pirofosfatos de magnésio e manganês com o pirossulfato de amônio e oxidando o manganês a permanganato com persulfato de amônio. Logo após a oxidação do manganês, realiza-se a titulação com arsenito de sódio. O magnésio é então obtido, descontando-se o teor de manganês calculado com pirosfofato do total presente inicialmente.

54

Com relação aos óxidos de ferros, estes ainda podem ser dosados por tratamento de argila com ácido sulfúrico e ácido fluorídrico tendo o cuidado, porém, de manter sempre o cadinho em atmosfera inerte (N2), titulando-o logo em seguida com solução de permanganato de potássio. Os óxidos de sódio e potássio costumam ser determinados gravimetricamente pelo método de Lawrence Smith, um método longo, trabalhoso e impreciso para pequenos teores de álcalis, que permite a determinação gravimétrica dos óxidos de sódio e potássio. Este método consiste na sinterização da substância analisada com mistura de cloreto de amônio e carbonato de cálcio que após várias separações formam cloretos com os álcalis presentes. Em seguida, usando-se o ácido perclórico dosa-se o sódio e potássio dos cloretos formados (SOUZA SANTOS, 1989). 2.5.4 Interpretação da análise química Os resultados obtidos em uma análise química permitem uma avaliação sobre o possível uso de uma matéria prima nos processos cerâmicos com determinado fim. Com base nessas informações, próprias aos processos ceramísticos, é possível verificar a adequabilidade dessas interpretações na produção do agregado artificial de argila calcinada. A seguir encontra-se sintetizado, de acordo com SOUZA SANTOS (1989), como estes resultados são interpretados em benefício das massas cerâmicas produzidas. 2.5.4.1 Umidade As argilas apresentam normalmente teores variáveis de umidade, entretanto as argilas que contêm argilominerais do grupo da montmorilonita e da sepiolitapaligorquisita não perdem as águas interlamelares, ligadas estruturalmente sob a forma de grupos de OH e absorvidas nos poros estruturais a 105° C +/- 5º C, temperatura usual no meio rodoviário utilizado para determinação de umidade com o uso de estufa. Segundo SOUZA SANTOS (1989), dificilmente se conseguem valores constantes para a umidade dessas argilas, sendo conveniente determinações até peso constante em várias temperaturas até 250° C, temperatura na qual se removeria os três tipos de água citados anteriormente. 55

Um tipo de umidade usual no meio rodoviário é a higroscópica, umidade que determinado solo adquire em equilíbrio em ambientes saturados de vapor de água em temperaturas entre 15°C e 25 °C e que é perdida com secagem em estufa. Essa umidade permite, em um primeiro momento determinar os argilominerais predominantes, desde que obedecidos os critérios de determinação de umidade sugeridos por SOUZA SANTOS (1989) com relação à temperatura utilizada para constância de peso de argilas. As argilas cauliníticas e haloisíticas apresentam umidade higroscópica de até 5 %, já as montimorilonitas atingem até 30%. 2.5.4.2 Perda ao fogo A perda ao fogo se deve principalmente às águas interlamelares, de coordenação e zeolíticas, de hidroxilas dos argilominerais e também de hidróxidos existentes, tais como Al(OH)3 e Fe(OH)3. Todavia, os componentes voláteis de matéria orgânica, sulfetos, sulfatos e carbonatos, quando presentes são incluídos nesta determinação. A determinação de perda ao fogo é mais indicada às argilas refratárias. Entretanto, esse resultado pode ser utilizado para o cálculo da composição química da argila calcinada corrigindo-se os valores obtidos na análise química de argilas. 2.5.4.3 Quantidade de SiO2 A quantidade de SiO2 obtido através da análise química é devido a silicatos e a sílica livre. Os silicatos são os argilominerais, as micas e os feldspatos. A sílica livre é proveniente de quartzo (variedade cristalina), opala (variedade amorfa), ágata e calcedônia (variedades criptocristalinas), e ácidos silícicos amorfos. Nas argilas residuais, a sílica livre é devida principalmente ao quartzo macroscópico, que é um constituinte comum das rochas ígneas; nas argilas sedimentares, além de quartzo microscópico, podem-se encontrar as formas amorfas e criptocristalinas de sílica. A sílica livre numa argila causa redução, não somente da plasticidade, como também leva a uma baixa retração linear. Quanto à refratariedade, o efeito da sílica livre é variável. Argilas que contenham alta porcentagem de agentes fundentes (Fe2O3, FeO, CaO, MgO, Na2O e K2O) e também de sílica livre, têm seu ponto de fusão mais alto em comparação às argilas de mesma composição química, porém tendo sílica combinada.

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Se a argila for altamente aluminosa e com porcentagem baixa de agentes fundentes, o efeito da sílica livre é o de reduzir a refratariedade, além de produzir efeitos nocivos, devido às mudanças de fase cristalina da sílica com a temperatura. 2.5.4.4 Quantidade de Al2O3 O alumínio existente numa argila é em sua maior parte combinado, formando os argilominerais, geralmente caulinita. Algumas argilas apresentam teor de Al2O3 superior ao da caulinita típica que é de 39,8% provenientes também de boemita, gibsita, diásporo ou cliaquita (hidróxido de alumínio amorfo), sendo, portanto, altamente aluminosas e de interesse na fabricação de materiais refratários. Alguns caulins primários costumam ter teores de Al2O3 superior a 39,8% devido à remoção de sílica da caulinita por águas alcalinas de intemperismo; hidróxidos de alumínio podem ser detectados nesses caulins por análise térmica diferencial ou por difração de raios X. Neste ponto é interessante ser mencionado que o teor de Al2O3 de um material refratário sílico-aluminoso, quando é superior a 46,0%, o classifica, segundo as normas da ABNT, como aluminoso ou altamente aluminoso; se inferior a 46,0%, é chamado sílico-aluminoso. Essa classificação se baseia no fato de a caulinita ser o argilomineral mais rico em Al2O3, sendo o constituinte essencial de argilas refratárias. O maior teor de Al2O3, possível de ser obtido em um refratário feito apenas de caulinita, é de 46,0%, justificando o nome de sílico-aluminoso para refratários feitos com argilas contendo teores de Al2O3 inferiores a 39,8% no estado cru. 2.5.4.5 Quantidade de TiO2 O óxido de titânio ocorre em quase todas as argilas, sendo rutilo, ilmenita e anatásio os minerais mais comuns. O último é um mineral que figura como o mais resistente ao intemperismo, e quando sua presença ou alguma porcentagem é assinalada numa argila, indica geralmente origem sedimentar. O rutilo se comporta de maneira semelhante quanto aos agentes de intemperismo e de transporte, sendo também freqüente nas argilas sedimentares, especialmente argilas refratárias e caulins sedimentares; disso resulta terem essas argilas um teor mais elevado de TiO2 do que as argilas residuais. 57

Muitas vezes o TiO2 não é dosado e um analista inexperiente pode não saber que ele se encontra incluído no teor de Al2O3 experimental da argila. Para quantidades baixas de TiO2 (abaixo de 1%) não há praticamente alteração nas propriedades tecnológicas da argila; porém, quando os teores são elevados, a porcentagem de Al2O3 indicada na análise química deixa de ter exatidão e problemas, como, por exemplo, de cor cinzenta na argila, podem ser devidos a óxidos de titânio. Para evitar dúvidas convém sempre indicar a soma (Al2O3 + TiO2) toda vez que o TiO2 não for dosado individualmente. Nem sempre esses teores elevados de TiO2 ocorrem apenas nas argilas sedimentares: na análise química de uma argila residual verde nontronítica, que ocorre na região de Sacramento (MG), são encontrados teores elevados de TiO2. 2.5.4.6 Quantidade de Fe2O3 e FeO Hematita, magnetita, limonita, lepidocrocita, goetita e pirita são os minerais de ferro mais freqüentemente encontrados nas argilas e seus efeitos se fazem sentir principalmente na alteração da cor da argila queimada e na redução da refratariedade. Argilas livres de óxidos de ferro, quando calcinadas, geram um produto de cor branca; com 1% de óxidos, a argila se torna amarela e a cor tende a se intensificar com porcentagens maiores. Entretanto, deve-se notar que nem sempre há proporcionalidade entre a cor e a quantidade de óxidos de ferro indicados pela análise química, devido ao fato de o ferro poder entrar em combinação com outros componentes da argila, formando vidros. É o caso de argilas ricas em ilita ou nontronita, em que o ferro faz parte do reticulado cristalino, formando vidros com mais facilidade e dando origem a cores vermelhas de tonalidades vivas ou brilhantes, de interesse nos ladrilhos para pisos de cor vermelha, ou a cores escuras, quando a queima é feita em atmosfera redutora. Teores elevados de ferro e baixos teores de sílica levam a cores negras porque principalmente se forma magnetita e não há formação de vidros na queima. Esses tipos de argilas ricas em ferro são geralmente utilizadas em cerâmica vermelha ou estrutural (tijolos, telhas, ladrilhos de piso, agregados leves para concreto). Convém ressaltar novamente o problema que ocorre durante a operação de fusão da argila com carbonato de sódio, problema esse que pode conduzir a resultados baixos para o Fe2O3. É observado também que, se a fusão é realizada em maçarico, se tem uma 58

perda de ferro da ordem de até 50% nessas condições; isso é decorrente da redução do ferro que adere ao cadinho de platina e que só é removido por meio de fusão com pirossulfato de potássio ou com sucessivos tratamentos com ácido clorídrico. Isto é evitado fazendo-se a fusão em mufla em atmosfera oxidante. 2.5.4.7 Quantidade de CaO e MgO Óxidos de cálcio e de magnésio são agentes fundentes e tendem a baixar a refratariedade das argilas. São geralmente provenientes de calcita, dolomita, gipsita e são raramente encontrados nas argilas cauliníticas do tipo refratário. A presença de cálcio, principalmente em argilas classificadas como montmoriloníticas, é, geralmente, na forma de cátion trocável, se não estiverem presentes os minerais mencionados anteriormente. Se a argila não contiver calcário, dolomita, magnesita, serpentina, talco, e a análise química indicar teores de MgO não-trocável como cátion ate 10%, deve-se sempre pensar na possibilidade da presença de argilomineral montmorilonítico ou do grupo sepiolita-paligorsquita. Os álcalis encontrados nas argilas são quase que totalmente devido a feldspatos, micas ou cátions trocáveis. São agentes fundentes e, portanto, indesejáveis para materiais refratários, porém são fundamentais para a vitrificação de porcelanas e outros produtos de cerâmica branca. Geralmente, o teor de K2O nas argilas é bem mais elevado que o de Na2O, porque minerais micáceos são mais resistentes ao intemperismo. Em caulins lavados, tem-se um teor de K2O da ordem de cinco a dez vezes mais elevado que o teor de Na2O. Certas argilas untuosas ao tato, de textura lamelar ou folhada e com teores elevados de potássio (até 9% a 10%) são chamadas "filitos cerâmicos" na nomenclatura usual da indústria de cerâmica branca de São Paulo. Essas argilas residuais são uma mistura natural de mica moscovita finamente dividida (sericita), quartzo e caulinita em proporções diversas. Os "filitos cerâmicos" são argilas claras, de cores brancas, rósea ou cinza-clara, com teores variáveis de Fe2O3 e quando queimadas a 1250°C, vitrificam totalmente, adquirindo cores claras, geralmente de tonalidade cinza; teores pouco acima de 1% de Fe2O3 em "filitos cerâmicos" provocam cores tão escuras que os tomam inutilizáveis em cerâmica branca.

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2.5.4.8 Quantidade de matéria orgânica A matéria orgânica contida em muitas argilas lhes confere um caráter plástico muito desejável devido ao fato dos ácidos úmicos agirem como colóide protetor hidrofílico das partículas de argilominerais. Deve-se notar também que a matéria orgânica tem grande influência sobre a capacidade de troca de cátions, uma vez que 100g de matéria orgânica apresentam uma capacidade de troca de cátions de ordem de 150 a 200 meq., resultados estes semelhantes aos obtidos com uma montmorilonita ou uma vermiculita. A matéria orgânica encontrada nas argilas ocorre na forma de linhito, ceras e derivados do ácido úmico. Sua determinação pode ser feita por três processos: combustão a seco, oxidação com água oxigenada e oxidação com solução ácida de dicromato de potássio. No primeiro caso, o material é aquecido a 1050°C em um forno elétrico e o CO2 libertado é recolhido num aparelho de absorção e dosado. O CO2 proveniente de carbonatos deve ser dosado à parte e subtraído. No IPT este processo vem sendo usado, utilizando um aparelho de dosagem de carbono em aço, mas a temperatura de aquecimento normalmente usada é de 600°C, o que evita decomposição de carbonatos e permite eliminar a operação de dosagem dos mesmos, para posterior correção dos resultados. 2.5.5 Difração de raios X A técnica de difração de raios 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 raios X. Ao incidir um feixe de raios X em um cristal, o mesmo interage com os átomos presentes, originando o fenômeno de difração. A difração de raios X ocorre segundo a Lei de Bragg (EQ. 2.1), a qual estabelece a relação entre o ângulo de difração e a distância entre os planos que a originaram:

n λ = 2 d sen θ

EQ. 2.1

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Onde: n: número inteiro λ: comprimento de onda dos raios X incidentes d: distância interplanar θ: ângulo de difração Dentre as vantagens da técnica de difração de raios X para a caracterização de fases, destacam-se a simplicidade e rapidez do método, a confiabilidade dos resultados obtidos, pois, o perfil de difração obtido é característico para cada fase cristalina, a possibilidade de análise de materiais compostos por uma mistura de fases e uma análise quantitativa destas fases. A vantagem da caracterização de argilominerais pela técnica de difração de raios X em relação a uma análise química é que essa não reporta apenas os elementos químicos presentes no material, mas sim a forma como eles estão ligados. A análise química associada a uma análise racional não apresenta elevada confiabilidade, além de não ser um procedimento indicado para identificar fases polimórficas. A semelhança do comportamento térmico dos argilominerais também descarta a utilização isolada das técnicas termo-diferenciais, que também são mais dispendiosas e demoradas. Entretanto, na caracterização de argilas com elevado teor de quartzo, a facilidade destes em orientar-se resultam em picos bem definidos e de grande intensidade desta fase cristalina, prejudicando muitas vezes a identificação e caracterização das demais fases. Contudo, a técnica de difração de raios-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 raios-X. 2.5.6 Fluorescência de raios X A fluorescência de raios X é uma poderosa técnica não destrutiva que permite não só uma análise qualitativa (identificação dos elementos presentes numa amostra), mas também quantitativa, permitindo estabelecendo a proporção em que cada elemento se encontra presente.

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Atualmente, a fluorescência de raios-X como técnica de análise qualitativa e quantitativa é muito utilizada principalmente no controle da poluição ambiental por metais pesados, na toxicologia alimentar, em biofísica na detecção e estudo de elementos tóxicos no organismo humano e na análise qualitativa de argilas com relação aos argilominerais presentes. 2.5.7 Análise térmica diferencial (ATD) e análise termogravimétrica (ATG) A Análise Térmica é um grupo de técnicas nas quais uma propriedade física ou química de uma substância, ou de seus produtos de reação, é monitorada em função do tempo ou temperatura, enquanto a temperatura da amostra, sob condições de atmosfera específica, é submetida a uma programação controlada. As principais técnicas termoanalíticas estão resumidas na FIG. 2.11.

FIG. 2.11 Técnicas de análise térmicas Fonte: WENDHAUSEN, 2007 Atualmente, a análise térmica diferencial (ATD) até 1050° C ainda é utilizada nos estudos das argilas. Estudos realizados em 1942 por Grim e Rowland mostraram sua aplicabilidade como método de identificação de argilominerais e suas misturas, naturais ou artificiais. O método de análise térmica diferencial consiste no aquecimento, em taxa constante, de uma argila, juntamente com uma substância termicamente inerte. Registram-se as diferenças de temperatura entre o padrão inerte e a argila em estudo, em 62

função da temperatura quando ocorrerem transformações endo ou exotérmicas. Estas aparecem como deflexões em sentidos opostos na curva termodiferencial ou termograma. A identificação precisa da maioria dos argilominerais puros e de alguns minerais é possível pela posição, forma e intensidade dos picos endo e exotérmicos dos termogramas. O uso dessa técnica é restritivo quando se trata de mistura de argilominerais, pois as posições, os picos e a intensidade dos termogramas são alterados em função da mistura destes. A análise termogravimétrica consiste do aquecimento da argila também em taxa constante de aquecimento em contato com uma balança, o que permite o registro das variações de massa em função da temperatura. Esta última detecta transformações energéticas tais como transformações polifórmicas que não envolvem variações de massa. 2.5.8 Microscopia eletrônica de varredura O Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), FIG. 2.12, se tornou um instrumento imprescindível nas mais diversas áreas: eletrônica, geologia, ciência e engenharia dos materiais, ciências da vida, entre outros. Em particular, o desenvolvimento de novos materiais tem exigido um número de informações bastante detalhado das características microestruturais só possíveis de serem observados no MEV. Pode se afirmar que onde há um grupo de desenvolvimento de materiais, há a necessidade de um MEV para as observações microestruturais. O MEV tem seu potencial ainda mais desenvolvido com a adaptação na câmara da amostra de detectores de raios-X permitindo a realização de análise química na amostra em observação. Através da captação pelos detectores e da análise dos raios-X característicos emitidos pela amostra, resultado da interação dos elétrons primários com a superfície, é possível obter informações qualitativas e quantitativas da composição da amostra na região submicrométrica de incidência do feixe de elétrons. Este procedimento facilita a identificação de precipitados e mesmo de variações de composição química dentro de um grão. Atualmente quase todos os MEV são equipados

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com detectores de raios-X, sendo que devido à confiabilidade e principalmente devido à facilidade de operação, a grande maioria faz uso do detector de energia dispersiva (EDX).

(b) Coluna Óptico-Eletrônica do MEV

(a) Microscópico Eletrônico de Varredura (c) Feixe de elétrons incidente na amostra FIG. 2.12 Detalhes do Microscópico Eletrônico de Varredura Fonte: INSTITUTO DE FÍSICA- USP, 2007 2.6

Comparação entre técnicas instrumentais Para a indústria cerâmica a análise química quantitativa é usada para a

verificação da uniformidade de matérias-primas. A análise química, por si só, fornece uma pré-avaliação do comportamento de uma determinada massa cerâmica (FABRI, 1986 apud VARELA, 2001). Diversos métodos instrumentais e complexométricos foram sugeridos por químicos, a partir de 1930, ao observarem as propriedades físicas de componentes químicos de interesse como: condutividade, potencial elétrico, absorção ou emissão de 64

luz, razão massa/carga e fluorescência. Além disso, técnicas cromatográficas altamente eficientes suplantaram a destilação, extração e precipitação para a separação de misturas complexas. A TAB. 2.8 estabelece uma comparação entre as técnicas instrumentais possíveis de serem utilizadas para a determinação elementar e de fases de massas cerâmicas. TAB. 2.8 Técnicas para a determinação elementar e de fases de cerâmicas. Técnica Espectrometria de emissão de chama (FES) Espectroscopia de Absorção Atômica (AAS) Espectroscopia de Emissão de Plasma (ICP) Fluorescência de raios-X (EDX) Microanálise com sonda eletrônica (usando EDS) Espectroscopia de Massa (MS)

Comentários Análise quantitativa de álcalis e Ba ao nível de ppm, detecta alguns elementos até ppb. Análise quantitativa de alguns elementos ao nível ppm. Análise quantitativa de alguns elementos ao nível de ppb. Análise elementar detecta até 10 ppm, Z>11.

Análise qualitativa e semiquantitativa, com resolução de 2µm, detecta até 0,1% ou 1.000 ppm e Z>11. Identificação de componentes e análise vapores e gases detectam até 0,01 ppm. Análise quantitativa e qualitativa de fases, determinação Difração de raios-X da estrutura cristalina, análise qualitativa elementar, (DRX) detecta até 1% ou 10.000 ppm. Análises Térmicas (DTA, Análise qualitativa de fases e suas transformações com a DTG e Dilatometria) temperatura. Análise qualitativa e semiquantitativa de fases, detecção Microscopia ótica do teor depende do método de cálculo adotado. Espectrometria Identificação da estrutura dos componentes orgânicos e Infravermelha (IRS) inorgânicos Fonte: REED, 1995 apud VARELA, 2001. 2.7

Agregados de argila Os agregados de argila são produtos cerâmicos. Qualquer material inorgânico,

não-metálico, que foi submetido a tratamento térmico com o objetivo de atingir um conjunto de características técnicas pode ser considerado um produto cerâmico. Os agregados sintéticos de argila, tanto os calcinados provenientes de unidades cerâmicas usuais, olarias, ou em unidades específicas para sua produção, quanto os expandidos e os agregados de resíduos de telha – ART, devem atender as exigências 65

normativas para o fim ao qual se destinam. Logo, o domínio da matéria prima e do processo ao qual ela será submetida é imprescindível para a obtenção de agregados adequados, por exemplo, ao emprego em pavimentação rodoviária. 2.7.1 Agregados artificiais de argila expandida Segundo MORAVIA et al (2006), a utilização da argila expandida como agregado graúdo é economicamente viável na fabricação de concretos devido à redução da massa específica que estes agregados proporcionam, minimizando os carregamentos atuantes nas estruturas. De acordo com o DNER (1981), a argila expandida é um agregado leve manufaturado sob controle tecnológico rigoroso que se presta perfeitamente à confecção de concretos estruturais de cimento Portland, bases e revestimentos betuminosos para rodovias. O norte americano Stephen J. Hayde, empreiteiro de obras e fabricante de tijolos, da cidade de Kansas, em Missouri, ao buscar respostas para o inchamento anormal de seus tijolos, que se utilizavam alguns tipos de folhelhos argilosos, tornou-se universalmente conhecido como o criador da indústria de argila expandida. O processo de fabricação destes agregados leves foi pantenteado em fevereiro de 1918 por este fabricante de tijolos, e desde de então o emprego do agregado de argila expandida evolui e foi difundido para outros países (BUILDEX, 2007). O marco histórico do emprego e da qualidade do concreto de cimento fabricado com argila expandida foi o lançamento ao mar em junho de 1919 do navio norte americano USS Selma, FIG. 2.12, cujo casco foi construído com este agregado.

FIG. 2.12 Lançamento ao mar do navio norte Americano USS Selma em 1919 Fonte: BUILDEX, 2007

66

Em 1953, o "Expanded Shale Clay Slate Institute” dos Estados Unidos da América encomendou a uma empresa a análise das condições estruturais do cimento armado do casco do Navio Selma, já desativado, e constatou a excelente condição que seu casco ainda apresentava apesar de ter ficado exposto à água salgada e ao ar. De acordo com os peritos da empresa contratada, após 34 anos de uso o casco não apresentava trincas ou sinais de envelhecimento e as barras de aço das armações estavam em bom estado (DNER, 1981). Os agregados de argila expandida são obtidos por aquecimento de matériasprimas, com composição química dentro das zonas apresentadas na FIG. 2.13, a temperaturas em torno de 1200°C. Próximo desta temperatura, uma parte dos constituintes do material se funde gerando uma massa viscosa, enquanto a outra parte se decompõe quimicamente liberando gases que são incorporados por esta massa sintetizada, expandindo-a em até sete vezes o seu volume (SHORT e KINNBURGH, 1963 apud MORAVIA, 2006).

FIG. 2.13 Composições químicas das argilas expansivas Fonte: COUTINHO, 1988 apud MORAVIA, 2006 O agregado de argila expandida pode ser produzido pelo tratamento térmico da matéria-prima triturada e classificada granulometricamente, ou moída e pelotizada, feito geralmente, em forno rotativo a gás ou óleo diesel, similar aos usados na fabricação de cimento Portland. Este também pode ser obtido por sinterização contínua, nesse caso, o material bem umedecido é transportado numa esteira, sob queimadores, de modo que o calor atinja gradualmente toda a espessura da camada (MEHTA,1994, NEVILLE, 1997 apud MORAVIA, 2006). De acordo com METHA (1994) apud MORAVIA (2006), o processo de sinterização contínua fornece agregados com massa específica aparente na faixa 67

compreendida entre 650 kg/m3 e 900 kg/ m3, enquanto que as produzidas em fornos rotativos entre 300 kg/ m3 e 650 kg/ m3. A redução da massa, em concreto estrutural, possibilita a execução de estruturas mais leves que as usuais. As cargas permanentes atuantes nessas estruturas serão menores e com isso haverá redução das dimensões de vigas e pilares, bem como da espessura das lajes. Apesar da economia que o uso desse agregado pode proporcionar quando empregado em estruturas de concreto, no Brasil, a sua produção se restringe a um único fabricante, CINEXPAM, que a produz para a industria têxtil, estonagem de jeans, e de ornamentação, decoração de jardins. As vantagens do consumo da argila expandida nos mais variados setores da construção civil despertaram o interesse da Universidade do Texas (Texas A & M University) que passou a estudá-la para emprego em pavimentos rodoviários na década de 50 nos Estados Unidos da América. Outro estado norte americano que posteriormente desenvolveu estudos sobre esse assunto foi o de Louisiana, que assim como o Texas dominam a técnica de emprego desse agregado em pré-misturados betuminosos e tratamentos superficiais. O DNER, em 1981, apresentou um relatório sobre a utilização de agregados de argila na região amazônica em alternativa ao pétreo natural em construções civis e rodoviárias. Contatou-se que o país que mais experiência possuía sobre o emprego de agregados sintéticos em pavimentos rodoviários, naquela ocasião, eram os Estados Unidos da América que através das organizações rodoviárias do Texas e da Louisiana desenvolveram pesquisas e empregam esse tipo de agregado em suas rodovias desde a década de 60, com bastante sucesso. A experiência brasileira para confirmar o sucesso desse agregado sintético em pavimentação rodoviária se deu na rodovia BR-116/RJ, trecho Santa GuilherminaParada. O trecho experimental foi distribuído alternativamente em segmentos de 60 metros de extensão combinados de forma a apresentarem soluções diferentes para as observações e estudos programados pelo IPR - Instituto de Pesquisas Rodoviárias do antigo DNER, conforme se verifica na FIG. 2.14. Os materiais usados na confecção das camadas de pavimento dos segmentos experimentais foram aqueles que estavam sendo usados normalmente nos trabalhos de pavimentação da BR-116/RJ, com exceção dos agregados graúdos constituídos de sintéticos do tipo argila expandida fabricados pela CINASITA em Jundiaí-SP. 68

LEGENDA CBUQ COM AGREGADO TRADICIONAL CBUQ COM AGREGADO DE ARGILA EXPANDIDA BASE DE PRÉ MISTURADO A FRIO COM AGREGADO TRADICIONAL BASE DE PRÉ MISTURADO A FRIO COM AGREGADO DE ARGILA EXPANDIDA

FIG. 2.14 Esquema construtivo do trecho experimental da BR-116/RJ Fonte: DNER, 1981 apud BATISTA, 2004 As características desses agregados, classificados e ensaiados de acordo com as normas sugeridas para esse material, constam da TAB. 2.9. TAB. 2.9 Características do agregado sintético empregado no trecho experimental Tipo do agregado (comercial)

Intervalo de diâmetro

Densidade Aparente Solta

Desgaste água após fervura

Abrasão Los Angeles (Texas)

Abrasão Los Angeles (DNER)

Classificação Texas

2013 1305

20 a 13 mm 13 a 5 mm

0,620 0,600

<6% <6%

32 26

34 28

IA IA

Fonte: DNER, 1981 69

As características do projeto do traço de pré-misturado a frio com emulsão executado com estes agregados para a construção da camada de base com granulometria aberta, aproximadamente igual à granulometria do pré-misturado a frio da camada de base com agregado convencional do trecho, foram as seguintes:

•

Traço em peso: - 47 % do agregado 2013; - 47 % do agregado 1305; e - 6 % de emulsão RM-1C.

•

Densidade aparente do P.M.F. compactado: - 0,75.

•

Granulometria: TAB. 2.10 Granulometria da mistura de agregados – PMF Peneira

Mistura de Agregados (2013 e 1305)

1’’

3/4’’

1/2’’

100

96

56

% passante em peso 3/8’’ N°4 N°10 26

2

2

N°80

N°200

-

-

Fonte: DNER, 1981 Já as características do projeto do traço de concreto betuminoso usinado à quente executado com este agregado para a construção do revestimento do trecho experimental da BR 116/RJ foram:

•

Traço em peso: - 24,8 % do agregado 2013; - 25,0 % do agregado 1305 e pedrisco; - 38,0 % de pó de pedra; - 4,7 % de filler; e - 7,5 % CAP 50-60

70

•

Densidade aparente do C.A. compactado: - 1,617.

•

Granulometria: TAB. 2.11 Granulometria da mistura de agregados - CA Peneira

Mistura de Agregados •

1’’

3/4’’

100

86

% passante em peso 1/2’’ 3/8’’ N°4 N°10 78

63

43

22

N°80

N°200

13

8

Percentagem de vazios: - 3,2 %.

•

Percentagem de vazios cheios de betume: - 11,7 %.

•

Vazio agregado mineral (VAM): - 14,9 %.

•

Relação betume vazios (RBV): - 78,5 %.

•

Estabilidade Marshall 1070 kgf (75 golpes) - 1070 kgf A construção dos trechos experimentais com argila expandida se deu nos meses

de junho e julho de 1980 obedecendo-se às normas rodoviárias vigentes e às rotinas e critérios construtivos da empreiteira contratada. Apesar da viabilidade técnica do emprego desse agregado, tanto em estruturas de concreto, quanto em serviços de pavimentação rodoviária, as exigências com relação os constituintes da argila a ser utilizada, as temperaturas de queima e as unidades de produção específicas para esse fim são alguns dos aspectos que dificultam o emprego dessa tecnologia em regiões carentes de pétreo natural no Brasil.

71

Uma alternativa ao agregado de argila expandida, naquela ocasião denominada de agregado de argila calcinada, passou a ser estudada pelo estado do Texas. Nesse estudo constatou-se que as argilas queimadas a 760º C apresentam vantagens econômicas na fabricação sobre as expandidas, devido às temperaturas de queima mais baixas, e por não necessariamente utilizarem unidades de produção específica para esse fim, FIG. 2.15.

FIG. 2.15 Exemplo de unidade produtora de agregado artificial de argila expandida Fonte: FILTRALITE, 2007 Os agregados sintéticos, fabricados de argila a essa temperatura, se desidroxilam podendo fornecer agregados estáveis e aptos para serem usados em construção. Ainda segundo esses estudos, praticamente qualquer argila molhada, moldada em forma de pelotas e que formem grãos duros quando secos ao ar, pode ser utilizada como matéria prima para fabricação do agregado de argila queimada, mais uma vantagem sobre os agregados de argila expandida. Os agregados de argila queimada podem ser produzidos em olarias convencionais, como preconiza a metodologia proposta para produção de agregado artificial de argila calcinada, uma vez que não necessitam de temperaturas tão elevadas, superiores a 1000°C, quanto os agregados de argila expandida. Naquela ocasião, os agregados de argila queimada estudados pelo estado do Texas apresentavam características físicas e mecânicas apropriadas para diversos fins construtivos, inclusive para pavimentação rodoviária. Assim, esta alternativa de agregado pode ser considerada um marco inicial da pesquisa sobre argila calcinada.

72

2.7.2 Agregados reciclados de telha - ART O agregado reciclado de telha, ART, foi estudado por DIAS (2004) e pode ser considerado como uma alternativa para a pavimentação de baixo volume de tráfego. As suas principais diferenças para algumas rochas naturais empregadas em pavimentação são a absorção e porosidade, maiores no ART, e massa específica aparente do grão, menores neste caso. DIAS (2004) concluiu que apesar do ART se quebrar durante a compactação, os valores de CBR e expansão são compatíveis com o uso rodoviário. Entretanto, quando avaliado sob ação de cargas dinâmicas (ensaio triaxial) apresentou baixo valor de módulo de resiliência, ou seja, alta deformação resiliente, o que encurta a vida de pavimentos em serviço. Inicialmente, esse material estaria fadado ao insucesso quando empregado puro. Entretanto, investigações posteriores na busca de uma relação entre a porosidade do agregado e a quantidade de solo na mistura solo-ART possibilitaram o desenvolvimento de uma metodologia baseada na hipótese de que a quantidade de solo a ser empregada neste tipo de mistura seria igual à porosidade do agregado. A porosidade do ART é relativamente elevada, o que é compreensível por se tratar de um produto que fora rejeitado devido a alguma falha durante seu processo produtivo. A validação da hipótese de Dias (2004) possibilitou a obtenção de misturas de solo-ART com maior compacidade para bases de pavimentos. Essas misturas de solo-agregados com ART, dosadas segundo a metodologia proposta por DIAS (2004), podem ser utilizadas em camadas nobres do pavimento, como a base. Como a metodologia proposta foi desenvolvida sem considerar os critérios tradicionais de dosagem de mistura de solo-agregado, no que tange à granulometria, a incorporação de solo ao ART reduziu o valor do CBR das misturas, entretanto a resposta resiliente destas apresentou um aumento de até 288%, conforme FIG. 2.16.

73

California Bear Heating - CBR

Módulo de Resiliência (MPa)

CBR (%)

40 30

ART 2i

20

SOLO-ART 2i

10 0 ART 2i x SOLO-ART 2i

MR (MPa)

50

400 350 300 250 200 150 100 50 0

ART 1 SOLO-ART 1

ART 1 x SOLO-ART 1

(a) CBR – ART 2i 1x SOLO2-ART 2i

(b) MR – ART 1 3x SOLO-ART 1

FIG. 2.16 Comparação entre Ensaios com ART e mistura solo-ART Apesar de DIAS (2004) concluir que o ART apresenta elevados índices de degradação após compactação, o que inicialmente inviabiliza a sua utilização em camadas de pavimentação, tomando por base as metodologias tradicionais, a metodologia desenvolvida para o seu emprego leva em consideração as diferentes massas específicas dos grãos envolvidos nestas misturas solo-agregado e a melhor ocupação do volume compactado possibilita uma melhor distribuição das tensões nos grãos do ART, evitando assim que estes se quebrem (CABRAL, 2005). Com relação à deformação permanente, os ganhos de desempenho das misturas solo-ART foram mais discretos, contudo, mais ensaios seriam necessários para melhor conhecer seus benefícios apesar de ser evidente o seu comportamento distinto conforme o nível das tensões aplicadas e a sua estabilidade diante das deformações permanentes em tensões moderadas (DIAS, 2004). Enfim, o trabalho de DIAS (2004) mostra todas as particularidades do agregado reciclado de telha cerâmica, e de certa forma, evidencia a importância da reciclagem para a sustentabilidade do setor produtivo de cerâmica vermelha, permitindo vislumbrar ganhos ambientais, sociais e econômicos para as regiões nas quais existam olarias convencionais instaladas que produzam telhas (CABRAL, 2005; DIAS, 2004; DIAS et al. 2004).

1

ART 2i - com granulometria integral, passante na # 12,5 mm, sem escalpo ART 1 - com granulometria integral, passante na # 12,5 mm e retido # 4,8 mm. 3 Solo Argiloso - LG’ (MCT) e A 7-6 (HRB) 2

74

Apesar da aparente semelhança com o agregado de argila calcinada, o fato desse agregado ser proveniente de rejeitos da fabricação de telhas já evidencia que suas características físicas e conseqüentemente de resistência mecânica serão diferenciadas do agregado de argila calcinada, uma vez que o processo de fabricação não tem como preocupação as variáveis envolvidas no controle tecnológico da produção de um agregado artificial para utilização na engenharia (CABRAL, 2005). 2.7.3 Agregados artificiais de argila calcinada Com a finalidade de se buscar um agregado de argila de custo menor e qualidade satisfatória ao emprego em pavimentação, tornou-se interessante estudar o agregado artificial de argila calcinada. As principais diferenças entre este e a expandida são: para a argila calcinada não é necessária a utilização de matéria-prima com propriedades piroexpansivas e a temperatura para produção são inferiores às da argila expandida. Pelo fato de não exigir características piroexpansivas em sua matéria-prima, aumenta-se a possibilidade de encontrar jazidas que possam produzir agregados de qualidade satisfatória ao uso rodoviário (SILVA, 2006). Para produzir este material, utilizam-se normalmente temperaturas superiores a 760ºC e preferencialmente, inferiores a 1100°C. O tempo de queima dos blocos especiais para produção do agregado artificial de argila calcinada, para conferi-lhes características apropriadas ao uso em serviços de pavimentação, é de aproximadamente 30 minutos. Estas temperaturas são normalmente possíveis de serem atingidas em determinadas regiões de fornos de olarias convencionais. Diversos estudos sobre o emprego de agregados de argila foram desenvolvidos no Instituto Militar de Engenharia (BATISTA, 2004; CABRAL, 2005; NASCIMENTO, 2005) possibilitando que em 2005 fosse desenvolvida e patenteada, PI 0405979-4 de 27/12/2004 – Produção e utilização de agregados artificiais com solos finos da região amazônica para o uso em construção rodoviária, uma metodologia de produção de agregado de argila calcinada a qual foi aplicada no presente trabalho para produzir agregados em Santarém-PA e Tanguá-RJ para emprego em pistas experimentais.

75

2.8

Metodologia de produção de agregado artificial de argila calcinada Neste item será apresentada, de maneira resumida, a metodologia proposta por

CABRAL (2005) para produzir, em escala industrial, o agregado artificial de argila calcinada. A metodologia proposta foi estruturada em três fases distintas, sendo elas: ensaios, modelo de produção e dimensionamento para emprego em pavimentação rodoviária. A FIG. 2.17 apresenta o fluxograma da metodologia proposta.

FIG. 2.17 Fluxograma da metodologia proposta Fonte: CABRAL, 2005

76

2.8.1 1ª fase – ensaios Nessa fase, é realizada para garantir a qualidade final do agregado de argila calcinada e a produção em escala industrial otimizada. Essa fase subdivide-se em duas partes. 2.8.1.1 Ensaios preliminares De acordo com CABRAL (2005), os ensaios preliminares, devido a sua simplicidade, podem ser executados em unidades ou laboratórios com poucos recursos tecnológicos, preferencialmente nas proximidades da jazida. Tais ensaios não atingem o nível químico/mineralógico da matéria-prima, o que por vezes acarreta que resultados favoráveis a sua utilização nesta etapa não o sejam na etapa de ensaios complementares. Para esses ensaios são coletados 50 kg de massa argilosa da jazida, dos quais, após a homogeneização, obtem-se uma porção final de 20 kg para caracterizar o solo, de acordo com os seguintes ensaios preconizados, TAB. 2.12. TAB 2.12 Ensaios preliminares MÉTODO DE ENSAIO

ENSAIOS PRELIMINARES

DNER ME 041/94

Preparação de amostras para caracterização

DNER ME 051/94

Análise granulométrica

DNER ME 082/94

Determinação do limite de plasticidade

DNER ME 122/94

Determinação do limite de liquidez

Experimentos realizados no IME apontam que o agregado artificial de argila calcinada é obtido com qualidade satisfatória quando se emprega solos argilosos plásticos, com granulometria fina, teor apreciável de matéria orgânica e que possam ser enquadrados com o auxílio do diagrama de granulometria Winkler, FIG.2.18.

77

FIG. 2.18 Diagrama de Granulometria Winkler Fonte: PRACIDELLI e MELCHIADES, 1997 apud CABRAL, 2005 Os valores da plasticidade e da granulometria especificados para argilas ou misturas argilosas são os seguintes:

•

Índice de plasticidade (IP) superiores a 15%; e

•

Região “B” do Diagrama de Winkler. A região “B” do Diagrama de Winkler é a mais indicada, segundo ensaios

realizados para a elaboração desta metodologia. A região “A”, propicia um agregado de argila calcinada de melhor qualidade, mas o controle tecnológico durante a sua produção deve ser mais rigoroso, principalmente no tocante ao controle de temperatura. Nas regiões “C” e “D”, se obtém agregado de argila calcinada de qualidade satisfatória, entretanto a temperaturas mais elevadas. Caso não sejam atingidos os valores especificados para a plasticidade e a granulometria do solo ou da massa cerâmica escolhida, ele pode ser corrigido para enquadramento na faixa especificada. 78

Além disso, pode ser analisado o custo de aquisição e extração da matéria-prima proveniente de jazidas disponíveis para compor uma mistura que seja mais favorável ténica e economicamente. Sendo satisfatórios os resultados dos ensaios preliminares e viáveis economicamente a sua utilização efetuam-se em seguida os ensaios complementares. 2.8.1.2 Ensaios complementares Para os ensaios complementares são necessários 100 kg do solo analisado preliminarmente da jazida. Nesta etapa, é dada ênfase à prospecção da mineralogia e da composição química presente nesta amostra. Já nesse ponto da metodologia, pode existir uma relativa dificuldade em se encontrar um centro de pesquisa na região que efetue todos os ensaios necessários. A qualidade do agregado de argila calcinada que será produzido com a matériaprima empregada é obtida durante a etapa de ensaios complementares, através da execução de ensaios complementares, descritos nesse item. Várias observações foram realizadas a partir dos diversos ensaios executados no desenvolvimento da presente metodologia. Dentre elas, foram estabelecidas faixas percentuais dos elementos químicos e argilominerais presentes na matéria-prima, que são capazes de propiciar a obtenção do agregado de argila calcinada com qualidade satisfatória. Ressalta-se que devido ao tipo de aparelhagem e método a ser efetuado na análise química, outros compostos poderão estar presentes em algum percentual, e desta forma, especifica-se que a matéria-prima contenha pelo menos, e não exclusivamente, as faixas indicadas na TAB. 2.13. Também devido aos ensaios executados, e com base nas experiências advindas da bibliografia, estabeleceu-se que os argilominerais do grupo das ilitas, caulinitas e montmorilonitas e suas misturas entre si, apresentaram os melhores resultados no que se referem à qualidade do agregado de argila calcinada produzido, e desta forma, compõem as faixas de especificações ótimas da matéria-prima.

79

TAB. 2.13 Faixas sugeridas pela metodologia para perda ao fogo (PF) e composição química de argilas Perda ao fogo (%)

0,10 a 27,00

SiO2 (%)

15,0 a 77,8

Al2O3 (%)

11,9 a 56,0

TiO2 (%)

0,01 a 3,5

Fe2O3 (%)

0,08 a 9,62

CaO (%)

0,01 a 20,1

MgO (%)

0,10 a 16,3

Na2O (%)

0,01 a 11,8

K2O (%)

0,01 a 16,9

Fonte: CABRAL, 2005 Da mesma forma que foi relatado para a análise química, a identificação dos argilominerais presentes na matéria-prima também depende do método e do tipo de aparelhagem utilizada. Sendo assim, estes argilominerais constituintes da matéria-prima poderão estar sendo identificados com percentuais variados. Encerra-se neste ponto da metodologia a caracterização da matéria-prima, porém, antes de avançar para a fase de produção, são especificados alguns ensaios para esta etapa, para otimizar o processo de fabricação do agregado de argila calcinada. A aprovação da matéria-prima selecionada, após a caracterização (física, química e mineralógica) e a realização de uma seqüência de ensaios que avaliem o comportamento do agregado de argila calcinada, em relação a alguns parâmetros de resistência mecânica, são etapas necessárias antes do início da fase de produção. Concluída a 1a fase, promove-se então o estabelecimento de todos os parâmetros que subsidiam as variáveis do processo produtivo, tais como o formato em que seria extrusada a matéria-prima, umidade da matéria-prima antes da extrusão, comprimento e volume das peças conformadas, secagem das peças (incluindo o tempo e a temperatura de secagem), plano de queima das peças (incluindo o tempo e a temperatura de queima), resfriamento das peças, britagem e separação do agregado de argila calcinada produzido, em diversas granulométricas, a partir destas peças extrusadas e queimadas.

80

Os ensaios para verificação dos agregados artificiais de argila calcinada são aqueles usualmente realizados para seleção destes em pavimentação, TAB. 2.14. TAB. 2.14 Ensaios da etapa complementar da metodologia para produção de agregado artificial de argila calcinada MÉTODO

ENSAIO

LIMITES

DNER-ME 222/94

Desgaste por abrasão de agregado sintético de Menor que 50% argila

DNER-ME 225/94

Perda de massa após fervura de agregado sintético de argila

DNER-ME 197/97

Resistência ao esmagamento de agregados Menor que 40% graúdos

DNER-ME 081/98 Absorção do agregado graúdo DNER-ME 096/98

Menor que 6%

Menor que 18%

Resistência mecânica pelo método dos 10% Maior que 60 kN de finos

DNER-ME 399/99 Perda ao choque no aparelho Treton

Menor que 60%

Fonte: CABRAL, 2005 Fruto de pesquisas realizadas no Instituto Militar de Engenharia, os formatos preferenciais de corpos de prova são os prismáticos, de seção retangular, ou hexagonal, que proporcionam após a etapa de britagem, a obtenção do agregado de argila calcinada com formatos adequados para pavimentação e praticamente idênticos aos observados aos agregados naturais provenientes da britagem de rochas. Os corpos de prova, para esta etapa final dos ensaios complementares, devem ser prismáticos com dimensões próximas a 20 mm x 20 mm x 200 mm. Após a confecção dos corpos de prova, estes devem ser levados à secagem ao ar, por um período variando entre 12 a 48 horas, e após secos, levados à secagem em unidade estufa, sob a temperatura de 110oC, por mais 24 horas. Todo este procedimento visa a simulação do que será realizado durante a produção em escala industrial do agregado de argila calcinada. Como subsídio para o planejamento da produção industrial, deve ser elaborado um estudo acerca das temperaturas e tempo de queima destes corpos de prova, da seguinte forma: separar em conjuntos iguais de corpos de prova a serem queimados, 81

capazes de comporem material suficiente, preferencialmente 10kg, para a execução dos 06 (seis) ensaios de verificação da qualidade do agregado de argila calcinada produzido em laboratório (CABRAL, 2005). Uma alternativa de subsídio para esse planejamento, é a extrusão de um lote piloto, em torno de 50 peças, pela unidade produtora para realização dos ensaios complementares necessários. Os corpos-de-prova produzidos em laboratório ou blocos extrusados pela unidade produtora, devem ser queimados separadamente, em pelo menos 4 temperaturas diferentes, entre 800oC e 1.100oC, por pelo menos 30 minutos e não mais que 45 minutos na temperatura especificada como patamar superior, obedecendo um aquecimento e resfriamento após cozimento lento e gradual do material produzido. Os fornos empregados neste tipo de queima são fornos de uso corrente de laboratório, tipo “mufla”, com capacidade para atingir temperaturas até 1.300ºC, e preferencialmente com timer para desligamento automático. Os agregados produzidos naquelas temperaturas especificadas para os corpos-deprova ou blocos cerâmicos serão ensaiados de acordo com os ensaios preconizados para essa fase, com o objetivo de determinar a mínima temperatura na qual os resultados desses atendam as faixas sugeridas pela metodologia apresentados na TAB. 2.14. O primeiro ensaio a ser realizado deve ser o de absorção do agregado, pois atendida esta exigência, normalmente as demais serão satisfeitas. Logo, o ensaio de absorção pode vir a ser um ensaio obrigatório para aceitação de lotes de agregado artificial de argila calcinada produzidos. Nos experimentos realizados por CABRAL (2005), foram observadas gradativas diminuições da porosidade dos corpos de prova com o aumento da temperatura de queima da matéria-prima argilosa. Observou-se ainda que, os resultados dos ensaios mecânicos também melhoraram. Logo, à medida que a temperatura aumenta significativamente, obtém-se um agregado de melhor qualidade técnica. Isto ocorre devido à formação de uma fase líquida de determinados elementos químicos fundentes presentes nos argilominerais, que quando atingem estas temperaturas mais elevadas, proporcionam maior densificação do agregado de argila calcinada, pelo preenchimento de alguns poros que não tenham sido preenchidos em temperaturas mais baixas. Concluídos os ensaios preliminares e complementares com a matéria-prima argilosa proveniente da jazida em estudo, encera-se a 1a fase da metodologia. Estes 82

resultados dos ensaios preliminares e complementares são importantes para a dosagem da mistura de argilas. 2.8.2 2ª fase - determinação de modelo e produção do agregado A metodologia nessa fase sugere duas possibilidades de produção: usinas préfabricadas ou olarias. A segunda opção, por utilizar-se de maquinários comuns às indústrias cerâmicas, reduz o aporte de capital necessário para operacionalizar a produção do agregado artificial de argila calcinada em escala industrial. 2.8.2.1 Produção do agregado em olaria Verifica-se na FIG. 2.19 as etapas correntes de qualquer olaria convencional e etapas complementares e independentes destas, podendo, inclusive, atender a várias olarias de determinada região carente em material pétreo natural que vislumbre sua utilização como agregado para construção rodoviária. Para produzir o agregado artificial de argila calcinada é necessário extrair material de jazidas identificadas como aptas. O solo argiloso apto é transportado, preferencialmente, para um local próximo à unidade de fabricação, onde deve ser destinado um pátio para estocagem da matéria-prima.

83

FIG. 2.19 Etapas da produção em olaria e britagem Fonte: CABRAL, 2005 Segundo a metodologia, é possível empregar dois tipos de materiais, um solo argiloso com boa plasticidade, também chamado de “argila gorda” e na presente dissertação denominado de “Argila A”, e outro material não plástico, também chamado de “argila magra”, e doravante denominada de “Argila B”. Segundo CABRAL (2005), a maior plasticidade da “Argila A” exige as etapas consecutivas de secagem e moagem do solo argiloso, uma vez que em sua forma natural quando encontrado em jazidas, geralmente possui alto teor de umidade e elevada coesão, originando blocos que devem ser triturados para a mistura com um material menos plástico ou não plástico, tal como a “Argila B”, que dispensa tais etapas. Esta mistura vai alimentar preferencialmente silos metálicos ou de madeira, e por gravidade deve cair em correias transportadoras, vibratórias ou não, para chegar à unidade de desintegração. Esta unidade, formada por dois rolos (corrugados ou lisos), tem por finalidade executar a fragmentação dos blocos que ainda estejam remanescentes provenientes dos silos de alimentação, facilitando assim uma primeira homogeneização da mistura argilosa.

84

Novamente, após a desintegração, a mistura argilosa deve ser conduzida por correias transportadoras até o próximo passo de laminação primária, que possui praticamente a mesma finalidade do passo anterior, ou seja, de reduzir os grumos formados pela massa argilosa, porém desta vez sob a forma exclusiva de rolos lisos, com espaçamentos reduzidos, capazes de formar lâminas delgadas desta mistura argilosa, e de forma definitiva, igualar a dimensão dos grumos provenientes de cada tipo de argila empregada na mistura. Através das correias transportadoras, deve-se levar estas lâminas geradas com a massa argilosa para a unidade homogeneizadora. Tal unidade composta por um recipiente que possua hélices em disposição helicoidal, em torno de um ou mais eixos posicionados de forma paralela ao maior comprimento deste recipiente, tem por finalidade homogeneizar definitivamente a massa argilosa, sem que haja a possibilidade de se distinguir visualmente na mistura, cada tipo de argila empregada antes desta etapa. Há ainda nesta unidade, a adição de água, caso necessário, conforme já explicado para facilitar o processo de extrusão e evitar a sobrecarga no equipamento. Caso haja excesso do teor de umidade, será necessário passar pelo passo de estocagem novamente, e em local separado, identificado, ventilado e preferencialmente descoberto quando não houver ocorrência de chuvas, para que a mistura argilosa, cujo teor de umidade será monitorado, possa retornar ao processo produtivo e passar para o próximo passo com teor de umidade mais adequado à extrusão. A mistura argilosa, depois de homogeneizada, retorna ao transporte por correias, e passa por um segundo e definitivo processo de laminação da massa homogeneizada, para que a mistura entre de forma otimizada na máquina extrusora. Finalmente, esta mistura já sob a forma de lâminas é despejada na extrusora, também chamada de “maromba”, que pelo auxílio de processo de vácuo em seu interior, propicia a compressão da mistura argilosa contra boquilhas de saída que moldam e expelem as barras preparadas com esta matéria-prima. Sugere-se acompanhar com um medidor de potência na extrusora, o seu nível de solicitação, para verificar se a mistura argilosa deve perder ou ganhar umidade para facilitar a extrusão de blocos, diminuir a sua exigência, aumentar a produção e reduzir custos. Estudos de BATISTA (2004) comprovaram que, para a fase de produção industrial, o formato preferencial de moldagem na máquina extrusora, são barras prismáticas de seções retangulares ou hexagonais, que propiciam após as etapas de 85

queima, britagem e peneiramento, agregados de argila calcinada que apresentam índice de forma adequado para pavimentação. As condições relativas ao volume e a conseqüente espessura destas barras estão relacionadas à dimensão e granulometria do agregado de argila calcinada que se deseja produzir. Desta forma, periodicamente, pode-se confeccionar e trocar as diversas boquilhas de saída da máquina extrusora, com dimensões variadas, proporcionando maior diversidade granulométrica de agregados produzidos. Os comprimentos destas barras podem variar de 20 cm a 80 cm de modo a facilitar o processo de britagem e adequação granulométrica. Após a extrusão, estas barras, ainda intactas, são levadas para a secagem, colocadas em aparatos com formatos preferenciais de estantes, ao ar livre, ou em ambiente ventilado, coberto e protegido de chuvas, por um período variando de 12 a 48 horas, até que seja verificada toda a perda de água possível na temperatura ambiente. No intuito de evitar a formação de tensões internas e trincas que causariam a conseqüente diminuição da resistência mecânica do agregado de argila a ser produzido, procede-se à gradual e lenta retirada da umidade adicionada à mistura argilosa para a extrusão das barras. O próximo passo vem a ser o processo de secagem das barras em uma unidade estufa. Esta etapa tem por objetivo proporcionar a perda de toda a água que não tenha sido retirada por ocasião da secagem ao ar, mais especificamente, retirando toda a água adquirida durante o processo de moldagem das barras, e também da umidade natural da matéria-prima, sob a ação de calor, em temperaturas próximas a 110oC, por um período de no máximo 36 horas. Ainda sobre a etapa de secagem em estufa, aponta-se para a possibilidade de se operacionalizar esta etapa com o aproveitamento e recuperação de gases quentes, provenientes da etapa de queima subseqüente. A etapa de queima das barras moldadas e secas deve ser efetuada de forma a garantir uma produção eficiente e otimizada, variando entre 5 e 30 m3/h, dependendo do método utilizado, adaptação de uma olaria ou usina pré-fabricada, e dos equipamentos utilizados. A calcinação dos blocos deverá ser efetuada de forma gradual, o que possivelmente pode ser aplicado às unidades de fabricação de peças cerâmicas, que já trabalham segundo este processo de aumento e controle de temperatura com o tempo.

86

2.8.2.2 Produção do agregado em unidade específica Para a opção de produção em unidade específica, podem ser empregados os seguintes processos:

•

Disposição de fornos rotativos em série ou paralelos, com janelas de comunicação entre as câmaras e com temperaturas diferenciadas e crescentes, através de queimadores de chamas independentes para cada uma destas câmaras;

•

Disposição de forno rotativo de câmara única, onde seja efetuado o controle da temperatura de queima, sendo aumentado gradualmente até atingir a temperatura ideal de queima, e permanecer o tempo mínimo necessário neste patamar. Para qualquer um dos casos escolhidos, as barras provenientes destas unidades

devem ser levadas para locais de resfriamento, ou até mesmo algum pátio de estocagem com as barras queimadas, onde possam ser resfriadas até atingirem temperaturas de manuseio. Após este tempo, as barras estão prontas para serem encaminhadas à unidade de britagem e separação granulométrica por peneiramento. Concluindo a 2a fase da metodologia, o produto obtido, sob a denominação de agregado artificial de argila calcinada, conforme os procedimentos descritos, independentemente dos equipamentos utilizados, será disposto de forma separada e identificado, em ambientes de estocagem ou em montes classificatórios de acordo com a abertura das peneiras empregadas na etapa anterior. 2.8.3 3ª fase da metodologia: dimensionamento para emprego em pavimentação A última fase da metodologia proposta trata do dimensionamento para emprego do agregado produzido em serviços de pavimentação. Entretanto, o seu emprego em pavimentação depende da viabilidade técnica e econômica de sua utilização. Por se tratar de uma alternativa ao material pétreo natural na região norte, especialmente nas localidades com abundancia de matéria-prima (argila) e carentes de aflorações rochosas propícias à exploração para uso rodoviário, o seu emprego em serviços de pavimentação torna-se interessante para o desenvolvimento econômico e a integração nacional dessa região. 87

Diversos estudos contribuíram para a consolidação da metodologia desenvolvida por CABRAL (2005), entretanto nenhum trecho experimental foi realizado para elucidar dúvidas com relação ao seu emprego e comportamento durante a mistura em usina de asfalto, espalhamento por vibro-acabadora e compactação. A construção de uma pista experimental permitiu uma melhor avaliação dessa fase, pois possibilitou a apropriação de custos de todas as etapas envolvidas desde a extração da matéria-prima até à sua utilização como agregado para uso em base e revestimento de um pavimento. Com a presente dissertação também foi possível um maior detalhamento do comportamento mecanístico das misturas solo-argila calcinada através de ensaios triaxias: ensaios de módulo de resiliência e deformação permanente. Dentre os objetivos atingidos com o presente trabalho destacam-se a maturação e o aperfeiçoamento das metodologias de produção deste agregado, proposta por CABRAL (2005), e de dosagem de misturas asfálticas com agregado artificial de argila calcinada, proposta por SILVA (2005). Fruto dos resultados dos experimentos realizados especifica-se, que a matériaprima deve conter pelo menos, de forma predominante, um dos três argilominerais citados (ilita, caulinita, ou montmorilonita), independentemente do percentual que esta predominância seja observada, para que seja obtido um agregado de argila calcinada com qualidade satisfatória. No que tange à viabilidade técnica, a pista experimental, por demandar uma quantidade maior de agregado do que comumente foi produzido nos estudos anteriores, propicia a verificação da uniformidade da qualidade desse agregado quando produzido em escala industrial. A viabilidade de emprego de um material em engenharia civil provêm da conjugação de duas vertentes: econômica e técnica. A construção de pista experimental consorcia ambas as vertentes possibilitando a constatação do real potencial de um novo material em relação a um tradicionalmente consolidado. Sobre a viabilidade econômica, destacam-se alguns diferenciais de custos elaborados por MÁS (2002) apud CABRAL (2005), que podem ser implantados em um processo produtivo cerâmico, TAB. 2.15.

88

TAB. 2.15 Diferenciais de custos possíveis de serem implantados em uma olaria Reduzir

Ação

• Diminuir, na medida do possível, o teor de água da massa na extrusão; • Utilizar secadores contínuos móveis; Calorias gastas na etapa de secagem • Incorporar, na medida do possível, argilas “magras” que secam mais rapidamente;

Calorias gastas na etapa de queima

Uso ineficiente de mão-de-obra e equipamento

• Utilizar fornos contínuos de paredes refratárias; • Ampliar a indústria adicionando módulos de fornos contínuos, em vez de crescer adicionando fornos descontínuos; • Alimentar o forno com teores de água mais baixos; • Controlar o poder calorífico da fonte empregada (gás, lenha, serragem, etc); • Reduzir o excesso de ar no forno; • Testar combustíveis mais competitivos: • Utilizar coque em vez de óleo combustível; • Empregar serragem misturada em grande escala, ao invés de lenha. • Eliminar operações de carga e descarga; • Eliminar movimentos para alimentação de combustível; • Melhor aproveitamento energético: substituir ventiladores fixos por móveis e utilizar o ar quente dos fornos para acelerar a secagem dos blocos; • Compartilhar ou substituir equipamentos que ficam ociosos.

Fonte: Adaptado de MÁS, 2002 apud CABRAL, 2005 Os capítulos que se seguem apresentam o resultados obtidos em laboratório e em pista experimental com os diversos agregados estudados, tanto em estabilização granulométrica ou solo-agregado para emprego como base, sub-base ou reforço de subleito, quanto em concreto asfáltico com agregado de argila calcinada constituindo a fração graúda da mistura de agregados como revestimento.

89

3

PLANO EXPERIMENTAL DE LABORATÓRIO

3.1

Introdução O presente capítulo reporta as principais características dos materiais

empregados durante pesquisa e os métodos e procedimentos do plano experimental adotado para avaliar o emprego do agregado de argila calcinada em sub-base, base e revestimento de pavimento rodoviário. Descrevem-se algumas propriedades dos solos, agregados e ligantes empregados. Além disso, transcreveu-se o resumo de alguns procedimentos adotados para as misturas solo-agregado e asfáltica produzidas durante a pesquisa. 3.2

Materiais e métodos dos ensaios Na presente pesquisa foram utilizadas duas amostras de argila, uma proveniente

de Santarém-PA e outra de Tanguá-RJ. Três amostras de agregado artificial de argila calcinada, duas provenientes de Santarém-PA e uma de Tanguá-RJ, uma amostra de seixo-rolado, material adquirido pelo 8° Batalhão de Engenharia de Construção para emprego em estabilização granulométrica de base do pavimento rodoviário da rodovia federal BR-163/PA. Uma amostra de brita 1 e outra de brita 0, fornecida pela CRT – Concessionária Rio-Teresópolis. Duas amostras de solo, sendo uma de Cachoeiras de Macacu-RJ e outra de Santarém-PA. Uma amostra de CAP 30/45, outra de pó-de-pedra e duas de areia, fornecidas pela construtora R. C. Vieira Engenharia LTDA, para determinar o traço de concreto asfáltico com agregado graúdo de argila calcinada. 3.2.1 Argilas para produção de agregado artificial de argila calcinada As argilas utilizadas na produção dos agregados artificiais de argila calcinada da presente pesquisa são provenientes de Santarém-PA e Tanguá-RJ. A escolha dessas foi feita pelas olarias, que apoiaram o estudo, em parceria com o Instituto Militar de Engenharia-IME. A identificação da massa cerâmica adequada à produção do agregado de argila calcinada se deu por meio dos ensaios preconizados pela metodologia de produção

90

(CABRAL, 2005) e de acordo com a disponibilidade e experiência dos ceramistas em relação à matéria-prima extraída. A matéria-prima proveniente de Tanguá-RJ foi coletada na empresa Cerâmica Marajó LTDA e transportada para o Instituto Militar de Engenharia-IME. A proveniente de Santarém foi coletada na empresa CIFRAMA LTDA pelo 8° B E Cnst que providenciou o envio para o Laboratório de solos deste Instituto. A TAB. 3.1 apresenta a granulometria, densidade real e os limites de Atterberg das massas cerâmicas empregadas na produção dos agregados utilizados no presente estudo. TAB. 3.1 Granulometria, densidade real e limites de Atterberg Origem

% passante em peso na peneira 3/8’’

N° 4

N° 40

N° 200

Santarém/PA

100,0

99,9

99,5

99,2

Tanguá/RJ

100,0

99,9

94,6

74,4

Dr

Limites (%) LL

LP

LC

2,418

82

63

35

2,535

59

46

28

Além dos usuais ensaios de caracterização de solos praticados no meio rodoviário foram realizados: DRX – Difração de Raios-X, FRX – Florescência de Raios-X, ATG – Análise TermoGravimétrica e MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura e são apresentados no apêndice. Estes ensaios são complementares da matéria-prima e garantem a qualidade do agregado produzido (CABRAL, 2005). 3.2.2 Solos ensaiados Inicialmente, buscou-se utilizar apenas um solo para realização do presente estudo. Entretanto, a necessidade de compará-lo com um outro que já havia sido estudado, conduziu a pesquisa à adoção de uma segunda amostra de solo. A primeira amostra estudada é proveniente de uma jazida de material, para subbase e base, que será utilizada pelo 8° B E Cnst na pavimentação da rodovia federal Santarém-Cuiabá, BR 163/PA. Essa primeira amostra, doravante chamada de solo A, encontra-se localizada à 115 km do Porto de Santarém e será utilizada no segmento Santarém – Rurópolis, desta rodovia, FIG. 3.1.

91

FIG. 3.1 Croqui da jazida do km 115 da BR 163/PA Fonte: Projeto Básico da BR 163, 2007 A segunda amostra de solo (solo B) é proveniente de uma jazida de saibro, explorada pela Prefeitura Municipal de Cachoeira de Macacu, PMCM, interior do estado do Rio de Janeiro, estudada por MICELI JUNIOR (2006). A escolha dessa segunda amostra se deu pelo fato do laboratório de solos do Instituto Militar de Engenharia – IME ainda possuir uma quantidade razoável deste material, não demandando assim tempo para extração de nova amostra e realização de novos ensaios de caracterização. Os solos provenientes dessas jazidas foram ensaiados conforme os métodos de ensaios de caracterização de solos do antigo Departamento Nacional de Estradas de Rodagem - DNER, TAB. 3.2.

92

TAB. 3.2 Métodos de ensaios de caracterização de solos Ensaio

Discriminação

DNER ME 041/94

Preparação de amostras para caracterização

DNER ME 051/94

Análise granulométrica por sedimentação

DNER ME 080/94

Análise granulométrica por peneiramento

DNER ME 082/94

Determinação do limite de plasticidade

DNER ME 093/94

Determinação da densidade real

DNER ME 122/94

Determinação do limite de liquidez

3.2.3 Agregados graúdos No corrente estudo, foram utilizadas 3 (três) amostras de agregados artificiais de argila calcinada, 1 (uma) de seixo-rolado e 1 (uma) de brita comercial. O objetivo desta escolha foi selecionar uma amostra de agregados usualmente utilizados em pavimentação tanto para emprego em misturas solo-agregado como, em misturas asfálticas. Para facilitar a exposição do trabalho desenvolvido, os agregados artificiais de argila calcinada serão denominados de agregado A, agregado B e agregado C. Os blocos cerâmicos para produção do agregado A foram produzidos pela Cerâmicas Marajó LTDA e britados pela Mineradora Sartor LTDA em Tanguá-RJ para emprego como agregado graúdo de concreto asfáltico, em revestimento de pista experimental. A TAB. 3.3 apresenta a granulometria obtida na britagem dos blocos cerâmicos produzidos em Tanguá-RJ. TAB. 3.3 Granulometria dos agregados produzidos em Tanguá-RJ Peneira Argila calcinada 1 Argila calcinada 0

3/4’’ 100 100

1/2’’ 65 100

% passante em peso 3/8’’ N°4 N°10 N°40 23 3 3 2 100 68 11 4

N°80 2 3

N°200 2 2

Os agregados B e C foram produzidos em Santarém-PA, pela empresa CIFRAMA LTDA, em momentos distintos.

93

O agregado B é uma amostra representativa de uma quantidade expressiva de blocos produzidos no ano de 2007, para emprego futuro em pistas experimentais em Santarém-PA. O agregado C foi o utilizado por CABRAL (2005), SILVA (2006) e MATTOS (2007), em estudos desenvolvidos sobre produção e emprego de argila calcinada, comportamento de concreto asfáltico com argila calcinada e comportamento de agregado de argila calcinada em concreto com cimento Portland. O agregado B foi empregado em misturas solo-agregados e o agregado C foi utilizado para avaliar o possível emprego da argila calcinada pura como base granular, estabilizada granulometricamente. Cabe ressaltar que, apesar de algumas situações em pavimentação, a estabilização

granulométrica

se

confundirem

com

mistura

solo-agregado,

principalmente pela difusão das especificações internacionais, AASHTO e ASTM, para bases de pavimentos, quando se emprega mistura de agregados a solos com comportamento laterítico, o fator granulometria tem importância secundária e se distingue da estabilização granulométrica citada por essas especificações (NOGAMI e VILLIBOR, 1995). As tabelas TAB.3.4 e TAB.3.5 reúnem algumas das principais características físicas e mecânicas das amostras de agregados graúdos selecionados para este estudo. TAB. 3.4 Características dos agregados graúdos de argila calcinada estudados ENSAIO

DNER-ME

Abrasão Los Angeles Densidade real do grão Densidade aparente do grão Absorção agregado graúdo

035/98 081/98

Argila Calcinada A B C 30,0% 34,8% 43,0% 2,587 2,560 2,663 1,910 1,909 1,833 14,3% 13,7% 14,9%

TAB. 3.5 Características dos agregados usuais dos meios rodoviários analisados ENSAIO

DNER-ME

Abrasão Los Angeles Densidade real do grão Densidade Aparente do grão (1) Santarém – 8°B E Cnst (2) Rio de Janeiro – CRT

035/98 081/98

94

Agregados Usuais Seixo (1) Brita (2) 33,5% 28,9% 2,666 2,797 2,573 2,760

3.2.4 Agregado miúdo Os agregados miúdos, utilizados na presente pesquisa para emprego em concreto asfáltico, foram o pó-de-pedra, areia e o pó-de-argila calcinada. O agregado miúdo adotado para produzir a massa asfáltica do segmento experimental foi o pó-de-pedra, entretanto, foram realizadas dosagens Marshall com os três tipos de agregados miúdos, materiais que possivelmente estarão à disposição do engenheiro rodoviário na região norte do Brasil. 3.2.5 Cal hidratada - material de enchimento O material de enchimento empregado nesse trabalho foi uma cal hidratada, adquirida pela construtora R.C. Vieira engenharia para confecção de traços de concreto asfáltico. Esse material é adicionado diretamente aos agregados que compõem a mistura asfáltica. A quantidade de cal adicionada à mistura foi de 3% em peso, cuja granulometria e principais características físicas se encontram na TAB. 3.6. TAB. 3.6 Granulometria e principais características físicas da cal hidratada Peneiras Cal hidratada

% passante em peso n°10 n°40 n°80 n°200 100 89 79 63

Dr

µ 4 (g/cm3)

2,46

0,66

Segundo informações do fabricante, a cal hidratada utilizada é do tipo magnesiana e classificada como CH-III pela norma ABNT NBR-7175. 3.2.6 Cimento Asfáltico de Petróleo (cap) O cimento asfáltico utilizado foi o CAP 30-45 da refinaria Duque de Caxias – RJ (REDUC). A caracterização do ligante foi realizada no laboratório de materiais asfálticos do Instituto de Pesquisas Rodoviárias (IPR) e os resultados encontram-se apresentados na TAB. 3.7.

4

Massa unitária do agregado no estado solto – NBR 7251

95

TAB. 3.7 Características do ligante empregado neste estudo – CAP 30/45 Características Penetração (0,1 mm) Ponto de Amolecimento, min (º C) Viscosidade Saybolt-Furol a 135º C, min.,(s) Viscosidade Saybolt-Furol a 150º C, min.,(s) Viscosidade Saybolt-Furol a 177º C, min.,(s) Índice de sucetibilidade térmica Ponto de Fulgor, min. (º C) Solubilidade em tricloroetileno, min.,(% massa) Ductibilidade a 25° C, min. (cm)

3.3

Limites CAP 30-45 30-45 52 192 90 40-150 (-1,5) a (+0,7) 235 99,5 60

Ligante utilizado 38 59 242 132 46 -1,5 315 99,8 >100

Ensaios mecânicos em solos, misturas solo-agregados e argila calcinada

graduada No presente trabalho compararam-se misturas de solo-agregados utilizando argila calcinada, seixo-rolado e brita. Outra alternativa avaliada foi a utilização apenas de argila calcinada em estabilizações granulométricas. 3.3.1 Índice de suporte califórnia – ISC Em que pese os ensaios dinâmicos representarem um avanço nos processos de dimensionamento de estruturas de pavimento, a busca de uma correlação com ensaios tradicionais do meio rodoviário possibilita a introdução gradual dessa concepção moderna de avaliação de estruturas de pavimento. Portanto, independente das limitações do ensaio Índice de Suporte Califórnia – ISC, optou-se por avaliar misturas solos-agregado com este índice. Para cada tipo de agregado analisado, foram confeccionados 02 (dois) corpos-de-prova na umidade ótima das energias de compactação: intermediária e modificada. Os agregados avaliados foram seixo-rolado, brita, argila calcinada nas seguintes proporções em massa em relação ao solo seco: 30%/70%, 50%/50% e 70%/30%, conforme mostrado na TAB. 3.8.

96

TAB 3.8 Corpos-de-prova para realização de ISC com solo-agregado

Agregados utilizados Argila

Seixo

Brita

Intermediária

30

2

2

2

50

2

2

2

70

2

2

2

Modificada

Energia

% de agregado em relação à massa seca de solo

30

2

2

2

50

4

2

2

70

2

2

2

Total de corpos-de-prova

38

Com o atraso do recebimento da amostra de solo, avaliou-se a estabilização granulométrica de argila calcinada pura. As faixas granulométricas adotadas para realização desses ensaios foram: faixa C – DNER ES 303/97 e faixa III DER/PR ES-P 05/05 Para o ensaio de Índice de Suporte Califórnia – ISC com argila calcinada pura foram adotados períodos de imersão de 30 minutos após compactação (sem imersão), 2 dias de imersão e 4 dias de imersão, conforme mostrado na TAB. 3.9, com o objetivo de avaliar o efeito do período de imersão nesse material.

97

TAB 3.9 Planejamento experimental com estabilização granulométrica FAIXAS DNIT “C”

DER/PR III

0

9

-

2 dias

9

-

4 dias

9

2

0

2

-

2 dias

2

-

4 dias

2

2

Intermediária Modificada

Energia

Dias de imersão

37

Total de corpos-de-prova

0,01

0,1

1

10

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 100

Porcentagem Passando (%)

Estas faixas granulométricas encontram-se delimitadas nas FIG. 3.2 e FIG. 3.3.

Diâmetro das Partículas (mm)

0,01

0,1

1

10

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 100

Porcentagem Passando (%)

FIG. 3.2 Limites da Faixa C - DNER-ES 303/97

Diâmetro das Partículas (mm)

FIG. 3.3 Limites da Faixa III - DER/PR ES-P 05/05

98

O ensaio de ISC, que também considera a expansibilidade do material, costuma estipular um valor máximo de expansão aceitável em 2,0 %. Normalmente, há uma tendência dos valores de ISC serem maiores quanto menor for a expansão axial, porém não há correlação entre esses parâmetros (BERNUCCI et al,2007). A imersão dos corpos-de-prova em água por 4 dias é excessivamente conservadora para certas situações. Em algumas condições climáticas e hidrológicas brasileiras, os materiais trabalham em “umidade de equilíbrio” abaixo da umidade ótima de compactação (CAMACHO, 2002). Em certas situações a realização do ensaio pode se dar sem imersão, com isso é possível comparar os resultados obtidos com imersão e in situ, proporcionando uma melhor análise e avaliação de valores a se utilizar em projetos ou avaliar riscos. 3.3.2 Ensaio de módulo de resiliência em solos Em 1938, o laboratório do Departamento de Transportes da Califórnia passou a se preocupar com o trincamento e ruptura dos pavimentos por ação de cargas repetidas. Inicia-se nesse momento uma série de medidas, em campo, dos deslocamentos verticais dos pavimentos causados pela ação da passagem rápida de cargas de rodas. Esse tipo de deslocamento vertical passou a ser denominado de deflexão. Segundo HVEEM (1955), a deflexão é um termo aplicado para movimentos verticais transientes, quando o pavimento está sujeito à carga de rodas. Cessada a ação da carga, parte da deflexão do pavimento é recuperada rapidamente. O material responde a essa solicitação por meio de um deslocamento no sentido da aplicação da carga. Uma parcela desse deslocamento é permanente, não-recuperável, a outra parcela é recuperável, resiliente, quando cessa a ação da solicitação. A parcela resiliente é responsável por determinar o módulo de resiliência de determinado material, conforme EQ 3.3. MR = σd/εr

EQ 3.3

Onde: MR – Módulo de resiliência, MPa; σd = σ1-σ3 – Tensão desvio aplicada repetidamente no eixo axial; 99

σ1 – Tensão principal maior, MPa; σ3 – Tensão principal menor ou tensão confinante, MPa;e εr – Deformação específica axial resiliente, mm/mm; O ensaio triaxial dinâmico para determinação do ensaio de módulo de resiliência foi normatizado pelo antigo Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, DNER – ME 131/94. Os pares de tensões apresentados na TAB. 3.10, são preconizados para solos argilosos. TAB. 3.10 Pares de tensões para solos argilosos em ensaios triaxiais cíclicos (DNER – ME 131/94) σ3 (MPa)

σd (MPa)

σ1/ σ3

0,021

2,00

0,035

2,67

0,0525

3,50

0,070

4,33

0,105

6,00

0,140

7,67

0,210

11,0

0,021

O ensaio para determinação do módulo de resiliência de solos é realizado após o condicionamento do corpo-de-prova. O condicionamento tem por objetivo eliminar ou minimizar os efeitos da deformação plástica e da história de tensões. Isto se faz em todo ensaio dinâmico que vise determinar a deformabilidade elástica de um determinado material, solo ou brita. No Brasil, para o condicionamento da amostra, aplicam-se 500 golpes em três níveis distintos de tensões utilizando os seguintes pares de σ3 e σd: - σ3=0,021 MPa e σd= 0,021 MPa; - σ3=0,035 MPa e σd= 0,070 MPa;e - σ3=0,105 MPa e σd= 0,315 MPa.

100

Atualmente, variações no equipamento e nos pares de tensões, TAB. 3.11, atuantes nos corpos-de-prova ensaiados, em relação à norma anteriormente citada, foram propostas por VIANNA (2002) e hoje são utilizadas nos ensaios realizados na COPPE/UFRJ e no IME. TAB. 3.11 Pares de tensões em ensaios triaxiais cíclicos – (COPPE/UFRJ e IME)

σ3 (MPa)

0,021

0,035

0,0525

0,070

0,105

0,140

σd (MPa)

σ1/σ3

0,021

2

0,042

3

0,063

4

0,035

2

0,070

3

0,105

4

0,0525

2

0,1050

3

0,1575

4

0,070

2

0,140

3

0,210

4

0,105

2

0,210

3

0,315

4

0,140

2

0,280

3

0,420

4

Como referência para a realização de ensaios de módulo de resiliência encontram-se descritos e ilustrados na FIG 3.4, os procedimentos a serem seguidos durante a sua realização.

101

Preparação da Amostra

(a) Mistura solo-agregado

(b) Amostra umidecida

(c) Amostra após 24 horas

Moldagem do corpo-de-prova

(d) Amostra

(e) Compactação

(f) Amostra compactada

(g) Acabamento do CP

(h) CP moldado

(i) CP desmoldado

Corpo-de-prova preparado para realização de módulo de resiliência

(j) Acessórios

(l) CP encamisado

(n)CP na câmara triaxial

FIG. 3.4 Procedimentos adotados para realização de ensaio de módulo de resiliência Os equipamentos triaxiais dinâmicos, FIG. 3.5, têm por objetivo reproduzir em laboratório as condições de carregamento impostas aos diversos materiais que compõem uma estrutura de pavimento pelas cargas do tráfego atuante (MICELI JUNIOR, 2006).

102

FIG. 3.5 Equipamento triaxial dinâmico do IME HEUKELOM e FOSTER (1960) desenvolveram uma correlação entre módulo de resiliência e o Índice de Suporte Califórnia, EQ. 3.4, difundida no meio rodoviário entretanto, a sua utilização deve ser realizada com bastante cuidado pelos engenheiros rodoviários (YODER e WITCZAK, 1975). MR = 10 (ISC)

EQ. 3.4

Onde: MR – Módulo de resiliência, MPa; ISC – Índice de Suporte Califórnia, %. O ensaio ISC envolve uma aplicação lenta, por um período de vários minutos, de uma tensão crescente envolvendo grandes deslocamentos plásticos. Esse estado de tensões não corresponde ao efeito da ação de cargas repetidas sobre os materiais da estrutura de um pavimento, aplicadas em geral em frações de segundo, correspondentes a cargas em movimento, com intensidades variadas e com diferentes freqüências, proporcionando na maioria das vezes pequenos deslocamentos, bem menores que 2,54 mm. Logo, correlações entre o ISC e o desempenho do pavimento são aproximações que devem ser realizadas com cautela (SEED et al.,1959). 3.3.3 Ensaio de deformação permanente em solos O afundamento de trilha de roda é um defeito do pavimento associado ao acúmulo de deformação vertical permanente desenvolvido em cada camada do 103

pavimento (MOTTA, 1991 , HUANG, 1993 e GUIMARÃES, 2001). Talvez por ser o principal defeito do pavimento em países de clima temperado, geralmente os mais desenvolvidos, o mecanismo de deformação permanente tem sido bastante estudado, com diversas publicações sobre o assunto. E, por outro lado, por ser pouco observado no Brasil, QUEIRÓZ (1984) apud GUIMARÃES (2001), há relativamente poucas publicações brasileiras sobre o assunto. Entretanto, por se tratar de uma nova alternativa de agregado, optou-se por realizar o ensaio de deformação permanente nas misturas solo-agregados com argila calcinada em três níveis de tensões distintos, bem como, compará-la com outras misturas solo-agregados tendo o seixo-rolado e a brita respectivamente como agregados dessas misturas. As misturas solo-agregados, constituídas por 50% de agregado em relação a massa seca do solo A, foram compactadas sob energia modificada. A TAB. 3.12 apresenta o número de corpos-de-prova e o planejamento experimental realizado para avaliar a deformação permanente dessas misturas. TAB 3.12 Planejamento experimental de ensaios de deformação permanente em misturas solo-argila calcinada (corpos-de-prova) Mistura solo-agregado

σd (MPa) Solo-argila calcinada (50%/50%) Solo A e Agregado B

σ3 = 0,07 MPa 0,07 0,14 1 1 Total

0,21 1 3

O conhecimento das relações entre a deformação permanente e as tensões atuantes para cada material, relação obtida em laboratório, e a utilização de um programa de sistemas em camadas, possibilita a obtenção das deformações permanentes em cada camada e, posteriormente, a deformação total da estrutura (GUIMARÃES, 2001). Além dos ensaios com misturas de solo-agregados, realizou-se ensaio de deformação permanente em amostras com argila calcinada pura, estabilizadas granulometricamente. O agregado de argila calcinada utilizado nas estabilizações granulométricas também procedentes de Santarém-PA, entretanto pertence a um lote distinto do utilizado

104

nas misturas solo-agregados, foi ensaiado nos três níveis de tensões estudados, agregado C, TAB.3.13. TAB 3.13 Planejamento experimental de ensaios de deformação permanente em argila calcinada graduada (corpos-de-prova) Estabilização granulométrica

σd (MPa) Argila Calcinada Graduada – Faixa C Agregado C

σ3 = 0,07 MPa 0,07 0,14 1 1 Total

0,21 1 3

A deformação permanente é obtida através de ensaios triaxiais de cargas repetidas. Os modelos utilizados são simplificações que representam bem o comportamento à deformação permanente tanto de solos argilosos como de solos granulares (GUIMARÃES, 2001). A preparação dos corpos-de-prova, para realização do ensaio de deformação permanente, segue os mesmos procedimentos adotados para o ensaio de módulo de resiliência diferenciando-se deste pelo não condicionamento da amostra ensaiada e do nível de tensão sob o qual o corpo-de-prova é submetido ao longo de todo ensaio. Na realização do ensaio de deformação permanente, o corpo-de-prova do material analisado é submetido a um número significativo de aplicações de carga, nesse experimento foram 150.000 aplicações a 1 Hz. A freqüência de aplicação de carga pode ser de 1 ou 2 Hz. O corpo-de-prova moldado é colocado na câmara do equipamento triaxial, sujeito a um estado de tensão médio que deve ser aproximadamente, o mesmo sob o qual esse material será submetido quando compuser uma das camadas da estrutura do pavimento. O estado de tensão, segundo o qual o material será submetido, é mantido durante todo o ensaio para se avaliar o efeito cumulativo das deformações permanentes, que normalmente é expresso pelo modelo proposto por MONISMITH et al. (1975):

ε p = ANB

EQ 3.5

Onde: εp - Deformação específica plástica, mm/mm; A e B - Parâmetros experimentais;

105

N - Número de repetições de carga. 3.4

Ensaios mecânicos em misturas asfalticas com agregado graúdo de argila

calcinada Como o presente trabalho tinha por objetivo avaliar a utilização de agregado artificial de argila calcinada como agregado graúdo de concreto asfáltico optou-se por avaliar o traço composto por pó-de-pedra como agregado miúdo e cal hidratada como material de enchimento, observando-se os resultados de módulo de resiliência e resistência à tração. 3.4.1 Módulo de resiliência Os ensaios de módulo de resiliência foram realizados nos equipamentos de ensaio de compressão diametral da COPPE/UFRJ e do IME, FIG.3.6. Durante a realização dos ensaios, obedeceu-se à temperatura de 25° C e a freqüência de 1 Hz, sendo 0,1 s o tempo de aplicação de carga e 0,9 s o tempo de repouso entre as aplicações.

FIG. 3.6 Equipamento para ensaio de módulo de resiliência Para obter-se o módulo de resiliência por compressão diametral, aplicam-se três ciclos de ensaios para cada corpo-de-prova. Os ciclos são compostos por um determinado número de golpes de condicionamento e cinco golpes para a determinação do módulo.

106

Esse

equipamento

possui

um

programa

computacional

que

calcula

automaticamente o módulo de resiliência, utilizando a EQ 3.6. MR = F/∆.H x (0,9976 µ + 0,2692)

EQ 3.6

Onde: MR – Módulo de resiliência, MPa; F – Carga vertical repetida aplicada diametralmente no corpo-de-prova, N; ∆ – Deformação elástica ou resiliente horizontal correspondente à carga aplicada, mm; H – Altura do corpo-de-prova, mm; µ – Coeficiente de Poisson (varia de 0,25 a 0,30 no concreto asfáltico). O valor de módulo de resiliência apresentado pelo presente programa é uma média aritmética dos valores obtidos no três ciclos do ensaio, FIG. 3.7.

FIG. 3.7 Apresentação do resultado de módulo de resiliência de ensaio realizado Fonte: MARQUES, 2004 De maneira sucinta para a realização do ensaio de módulo de resiliência são obedecidas às seguintes etapas (ALBUQUERQUE, 2005):

107

a)

Colocação dos corpos-de-prova no interior da capela ajustada para a

temperatura de 25° C por pelo menos duas horas antes do início do ensaio; b)

Posicionamento do corpo de prova no interior do suporte para fixação

dos LVDTs, conforme FIG. 3.8; c)

Colocação do corpo-de-prova sobre a base do equipamento sendo antes

interpostos 02 (dois) frisos metálicos curvos ao longo de suas geratrizes de apoio superior e inferior; d)

Verificação da posição dos LVDTs, que devem estar aproximadamente

na metade da altura do corpo-de-prova e com suporte de fixação paralelo à base do equipamento;e e)

Verificação do alinhamento dos frisos superior e inferior.

FIG. 3.8 Detalhe do corpo-de-prova com dispositivo para fixação dos LVDTs 3.4.2 Resistência à tração O ensaio de compressão diametral, de tração indireta ou brasileiro (FIG. 3.9) foi desenvolvido pelo professor Fernando Luiz Lobo B. Carneiro (1943) para a determinação da resistência à tração de corpos-de-prova cilíndricos de concreto de cimento portland, conforme EQ. 3.7.

108

P – Força vertical aplicada na geratriz do CP D – Diâmetro do corpo-deprova, D =15 cm L – Comprimento do corpo-deprova, L = 30 cm

FIG. 3.9 Ensaio de compressão diametral Fonte: THOMAZ, 2007 O presente ensaio é realizado em prensa Marshall convencional utilizando-se um dispositivo guia, que por meio de dois frisos metálicos apoiados nas geratrizes opostas do corpo-de-prova, comprimem-no diametralmente, FIG. 3.10.

(a) Prensa Marshall

(b) CP pronto para o ensaio

(c) Dispositivo Guia

FIG. 3.10 Prensa Marshall no ensaio de resistência à tração do IPR O ensaio foi realizado de acordo com a norma DNER-ME 138/94 e NBR 15087, à temperatura de 25º com velocidade de avanço da prensa de 0,8 mm/s. RT = 2F/πDH

EQ 3.7

Onde: RT – Resistência à tração estática, MPa; 109

F – Carga vertical de ruptura, N; D – Diâmetro do corpo-de-prova, mm; H – Altura do corpo-de-prova, mm; Foram moldados corpos-de-prova especificamente para realização de ensaio de resistência à tração. Entretanto, os corpos-de-prova, submetidos ao ensaio de módulo de resiliência, também foram ensaiados com o objetivo de verificar se houve fissuração destes durante a realização desse ensaio. Em ambos os casos respeitou-se o tempo de duas horas à temperatura de 25º C antes da realização do ensaio. No próximo capítulo serão apresentados e analisados os ensaios com as matérias-primas, os resultados das produções de agregados e suas aplicações como material de base: misturas solo-agregados e estabilização granulométrica e os resultados dos ensaios realizados com a mistura asfáltica, projetada para o segmento experimental, avaliada no presente estudo.

110

4

APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS DE ENSAIOS DE

LABORATÓRIO 4.1

Introdução Os resultados dos ensaios, previstos no programa experimental para avaliar o

emprego de agregado artificial de argila calcinada em pavimentação, são apresentados e analisados no presente capítulo. Alguns ensaios, com a matéria-prima utilizada na produção de blocos especiais de Tanguá-RJ, não constam do programa experimental, pois foram realizados pelo Departamento de Engenharia de Materiais deste Instituto. O objetivo destes ensaios foi determinar as condições de queima, tempo e temperatura que oferecessem propriedades mecânicas adequadas ao emprego do agregado de argila produzido em pavimentação. Entretanto, os resultados destes ensaios encontram-se apresentados nesse capítulo. Em virtude da amplitude do estudo realizado, abrangendo produção e emprego desse agregado em pavimentação, estruturou-se o capítulo em ensaios das matériasprimas, ensaios com os agregados produzidos, ensaios com argila calcinada graduada e solo-argila calcinada, e ensaios com concreto asfáltico empregando argila calcinada. 4.2

Ensaios das matérias-primas empregadadas na produção dos agregados

artificiais de argila calcinada A maioria dos ensaios realizados com a matéria-prima foi realizada no Departamento de Engenharia de Materiais, fruto de uma integração com o Departamento de Engenharia de Fortificação e Construção, ambos do Instituto Militar de Engenharia – IME. O objetivo foi caracterizar a matéria-prima empregada na produção dos agregados artificiais de argila calcinada utilizados em traço experimental de concreto asfáltico, primeiro experimento em escala real com esse agregado no Brasil. Estes estudos, conduzidos pelo Departamento de Engenharia de Materiais, foram objeto de um projeto de final de curso de graduação - PROFIC, que colaborou na complementação da presente pesquisa e compreensão da influência do tratamento térmico nos resultados obtidos com os agregados artificiais de argila calcinada. O tratamento térmico realizado, após a conformação da argila, consiste em um processo de calcinação e queima. Após a calcinação e remoção de líquidos – FIG. 111

4.1(a), o material se contraí e reduz seu volume, iniciando um processo de queima que aumenta a densidade e a resistência mecânica do produto final, devido ao coalescimento dos grãos, FIG. 4.1(b).

(a) Processo de Calcinação

(b) Processo de coalescimento FIG. 4.1 Representação do processo de calcinação e coalescimento de material cerâmico A seguir são apresentados os resultados dos ensaios realizados com a matériaprima observando-se a influência do tratamento térmico empregado. 4.2.1

Microscopia estereoscópica A alta resistência do material natural se deve ao fato dele possuir elevada massa

específica, ou seja, em seu volume existem poucos ou quase nenhum vazios ou fissuras. Logo, a porosidade diminui a resistência à flexão por dois motivos: redução da seção que efetivamente resiste à flexão e concentração de tensões devido aos poros. Segundo CALLISTER JUNIOR (1999), a influência da porosidade sobre a resistência é significativa a ponto de 10% em volume de poros ser responsável por uma 112

diminuição de 50% na resistência a flexão em relação ao valor medido em um material de baixa porosidade. Experimentalmente, a resistência à flexão diminui exponencialmente em função da fração volumétrica da porosidade, de acordo com a EQ. 4.1

σ rf = σ 0 .e

(− nP )

EQ. 4.1

Onde:

σ

rf

– Resistência a flexão, kgf/mm2;

σ 0 e n – Constantes experimentais; e – número Neperiano; P – Porosidade, % em volume. A microscopia estereoscópica avaliou o coalescimento das partículas de argilas e a redução da quantidade dos poros, em função da temperatura de queima, a partir das superfícies fraturadas dos prismas ensaiados à flexão. Esta avaliação é visual e se faz em cima de imagens ampliadas, 320X, da face fraturada com o estereomicroscópico, capturadas digitalmente, FIG. 4.2.

113

(a) Prisma 5 – 400° C

(b) Prisma 7 - 600° C

(c) Prisma 11 - 800° C

(d) Prisma 13 - 850° C

(e) Prisma 17 - 1.100° C FIG. 4.2 Estereomicroscopia de superfície fraturada de corpos-de-prova tratados termicamente (aumento de 320x) Fonte: SILVA, 2007 Observou-se nesta microscopia a diminuição da quantidade de poros, o aumento na compactação das partículas de argila e a fusão entre os contornos dos grãos das partículas argila à medida que se aumentou a temperatura de queima. 4.2.2

Resistência à flexão - RF Alguns prismas, que compunham a estrutura do bloco produzido em Tanguá-RJ,

foram avaliados com relação à flexão. Estes corpos-de-prova possuíam seção hexagonal e foram flexionados até a fratura utilizando a técnica de carregamento em três pontos.

114

A tensão no momento da fratura quando se emprega esse ensaio de flexão é conhecida por resistência à flexão, RF, e consiste em um importante parâmetro mecânico para os materiais cerâmicos (CALLISTER JUNIOR, 1999). A seguir, TAB. 4.1, encontram-se os valores, obtidos por pares de prisma ensaiados após tratamento térmico variando de 100ºC a 1000°C, da resistência a flexão (RF) e da média obtida (µRF). TAB. 4.1 Resistência à flexão dos prismas em função da temperatura de queima Prisma 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Temperatura 100° C 200º C 400º C 600º C 800º C

Força (kgf) 24,08 16,93 20,58 25,69 16,86 32,24 30,53 34,75 44,94 37,31

RF (kgf/mm2) 0,34 0,24 0,28 0,39 0,40 0,48 0,78 0,52 1,11 0,63

µRF ((kgf/mm2) 0,29 0,34 0,44 0,65 0,87

Fonte: SILVA, 2007 A FIG. 4.3 apresenta o gráfico obtido relacionando os valores médios de resistência à flexão com a temperatura de queima e a curva que melhor se ajustou a estes pontos com sua respectiva equação.

2

Resistência à flexão (kgf/mm )

1,40 1,20

y = 0,2441e

1,00

0,0016x

2

R = 0,9979

0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Temperatura (º C)

FIG. 4.3 Relação entre a resistência à flexão e temperatura de queima Fonte: SILVA, 2007 115

Verificou-se também, a contração nestes prismas, com base na média das diagonais antes e depois da queima, TAB. 4.2, das faces hexagonais dos prismas. TAB. 4.2 Contração das diagonais dos corpos-de-prova após tratamento térmico Diagonal Diagonal Final Inicial (mm) (mm)

Contração média (%)

Prisma

Temperatura

1

100° C

35,0

35,0

2

(17 horas)

35,0

35,0

3

200º C

35,0

34,5

4

(30 minutos)

34,0

34,0

5

400º C

29,0

28,0

6

(30 minutos)

34,5

33,0

7

600º C

28,5

26,5

8

(30 minutos)

34,0

32,0

29,0

26,5

8,62

35,3

32,0

9,35

9

10

600° C (2 horas) 600° C (4 horas)

11

800º C

29,0

26,0

12

(7 horas)

33,0

30,0

13

850° C

35,0

32

14

(30 minutos)

35,5

32

32,0

28,0

15

900° C (30 minutos)

16

1100° C

35,0

30,0

17

(30 minutos)

28,0

24,0

Fonte: SILVA, 2007

116

0,00

0,72

3,90

6,45

9,72

9,93

12,50

14,29

Na FIG. 4.4, encontra-se o gráfico obtido, relacionando os valores médios da contração das diagonais e a temperatura de queima, a reta que melhor se ajustou a estes pontos e sua respectiva equação.

Contração (%)

Contração x Temperatura 16 14 12 10 8 6 4 2 0

y = 0,0148x - 1,9742 2 R = 0,9882

0

100 200

300

400 500

600

700 800

900 1000 1100 1200

Temperatura (°C)

FIG. 4.4 Relação entre a contração e temperatura de queima Fonte: SILVA, 2007 Observou-se também, a partir do ensaio de contração, a influência do tempo de queima. Adotou-se para esta avaliação a temperatura de 600°C, considerando o resfriamento para medição da diagonal, logo após atingidos os 600°C, 2 horas e 4 horas após esta temperatura, FIG. 4.5.

Contração a 600°C 9,35 %

Contração (%)

10 8

8,62 % 6,45 %

6 4 2 0 600°C / 0h

600°C / 2h

600°C / 4h

Tempo a 600°C

FIG. 4.5 Influência do tempo de queima na contração a 600°C Fonte: SILVA, 2007 117

Constata-se, com base nos resultados anteriormente apresentados, a necessidade de empregar temperaturas de queima superiores a 900° C para obtenção de agregados artificiais de argila calcinada com características físicas e mecânicas satisfatórias para o emprego em pavimentação, especialmente em misturas asfálticas. 4.2.3

Microscopia eletrônica de varedura As superfícies de fratura dos corpos de provas ensaiados por resistência à flexão

foram observadas por microscopia eletrônica de varredura, empregando-se um microscópico eletrônico de varredura JOEL, modelo JSM 5800LV. Observou-se, nas micrografias analisadas – FIG 4.6, a fusão dos contornos das partículas e o coalescimento dos grãos, o qual só se observa a partir de 900° C, sendo imperceptível a temperaturas inferiores a esta.

FIG. 4.6 Micrografia da superfície fraturada - 1100°C / 30 min Fonte: SILVA, 2007 Segundo SILVA(2007), a temperatura adequada para obtenção de um material cerâmico com propriedades mecânicas bastante satisfatórias, baixa porosidade e uma estrutura bem homogênea, com base nesta análise microscópica, seria de 1100° C. Este ensaio também permite, com base nos óxidos presentes, identificar os principais elementos químicos que constituem essas argilas. A TAB. 4.3 apresenta a origem e finalidade de seu emprego, com base na experiência dos ceramistas e as TAB. 118

4.4 e TAB. 4.5, os elementos químicos e óxidos presentes nas principais argilas empregadas pelas olarias que apoiaram o presente estudo. TAB. 4.3 Origem e finalidade do emprego das argilas ensaiadas Amostra Am 01

Origem

Finalidade

CIFRAMA

Produção

Santarém - PA

calcinada

de

Observação Argila Objeto

de

estudos

anteriores(1)(2)

Auferir maior plasticidade a

Am 02

Argila “Gorda” massa cerâmica Material não plástico ou pouco plástico, empregado na obtenção de massas

Am 03

Argila “Magra” cerâmicas, misturando-se a materiais

mais

plásticos,

como a argila “Gorda”. Cerâmicas Marajó

Am 04

Tanguá-RJ

Empregada na produção Massa cerâmica empregada da argila calcinada na produção de telhas. (Am 02 + Am 03) Massa cerâmica empregada

Am 06

na

produção

de

tijolo Caracterizadas para fins

furado

Massa cerâmica empregada de comparação

Am 07

na

produção

maciço branco (1) BATISTA (2004) (2) CABRAL (2005)

119

de

tijolo

TAB. 4.4 Elementos químicos presentes nas argilas analisadas (MEV-EDS) Elemento

Amostras de Argilas Analisadas Am 01

Am 02

Am 03

Am 04

Am 05

Am 06

Am 07

Mg

-

0,5%

0,4%

0,5%

0,3%

-

-

Al

13,9%

13,9%

12,5%

13,9%

11,3%

18,1%

17,7%

Br

-

-

-

-

-

-

-

Si

26,8%

24,3%

20,2%

21,5%

15,3%

25,9%

25,6%

Ir

-

-

-

-

0,7%

-

-

K

1,8%

4,3%

3,3%

3,5%

0,7%

2,6%

3,5%

Ti

-

1,6%

1,5%

1,3%

-

-

2,0%

Fe

9,4%

9,1%

18,2%

14,3%

30,7%

5,1%

2,9%

O

48,1%

46,3%

43,9%

45,0%

41,0%

48,3%

48,3%

Total

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

TAB. 4.5 Óxidos presentes nas argilas analisadas (MEV-EDS) Óxidos

Amostras de Argilas Analisadas Am 01

Am 02

Am 03

Am 04

Am 05

Am 06

Am 07

MgO

-

0,9%

0,7%

0,8%

0,5%

-

-

Al2O3

26,3%

26,3%

23,6%

26,4%

21,3%

34,2%

33,5%

Si O2

57,3%

52,0%

43,3%

46,0%

32,8%

55,3%

54,8%

Ir

-

-

-

-

0,7%

-

-

K2O

-

5,1%

3,9%

4,2%

0,8%

3,2%

4,2%

Ti O2

3,0%

2,6%

2,5%

2,2%

-

-

3,3%

Fe2O3

13,4%

13,1%

26,0%

20,4%

43,9%

7,3%

4,2%

Total

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

Analisando os elementos químicos presentes na Amostra Am 04, empregada na produção do lote de agregados de argila calcinada da massa betuminosa do segmento experimental, observa-se que apenas o percentual de Fe2O3 ultrapassou os limites sugeridos pela metodologia de produção entretanto, a sua presença apenas produz coloração vermelha e reduz a refratariedade, o que não impede o seu emprego como massa cerâmica para produção deste experimento.

120

A influência da temperatura no valor das densidades e absorção deve-se a redução de vazios deste produto cerâmico produzido para emprego como agregado. Com este fim, foram empregados blocos extrusados da maromba da olaria Cerâmicas Marajó, curados ao ar e calcinados no laboratório de solos do IME em temperaturas que variaram de 850°C e 1100°C. A FIG. 4.7 apresenta a variação da densidade real e absorção dos agregados sintéticos de argila calcinada com o aumento da temperatura neste experimento.

Influência da temperatura Absorção (em %)

Densidade Aparente

19,00 15,90 12,40 9,60

8,90

3,80 1,76

850ºC

1,83

900ºC

1,91

1,97

950ºC

1000°C

2,02

1050°C

2,21

1100°C

FIG. 4.7 Absorção e densidade aparente em função da temperatura de queima A partir destas análises, iniciou-se o acompanhamento da produção realizada em Tanguá-RJ. Os resultados dos ensaios, com lotes produzidos em Santarém-PA, foram encaminhados pela Seção Técnica do 8° BE Cnst que, por meio de seu laboratório de ensaios tecnológicos, realizou os ensaios de absorção e abrasão Los Angeles apresentados no próximo item. 4.3

Ensaios com agregados de argila calcinada Na presente pesquisa foram analisadas três produções de agregados artificiais de

argila calcinada, realizadas em tempos e locais distintos, distribuídas em dez lotes. O

121

primeiro lote analisado, lote 0, foi o empregado nos estudos de CABRAL(2005), SILVA(2006) e MATTOS(2007). O controle de qualidade dos agregados produzidos em Santarém-PA para emprego em futuros segmentos experimentais, objeto de um termo de cooperação técnica entre o Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transporte – DNIT e o Exército Brasileiro – EB, foi realizado através de oito lotes, lote 1 ao 8. Por fim, o lote 9 representa os dados do controle tecnológico realizado com os agregados empregados na massa asfáltica da pista experimental construída na estrada de Guaxindiba, objeto do capítulo 5 da presente dissertação. As densidades real e aparente dos lotes analisados encontram-se apresentadas no gráfico da FIG. 4.8.

Densidades Real e Aparente - Lotes

Densidade

3,000

2,587 2,548 2,625 2,559 2,525 2,593 2,485 2,586 2,557 2,663 2,500 2,528 2,105 1,910 2,004 1,847 1,862 1,866 1,835 1,845 1,833 2,000 1,500

Dap Dr

1,000 0,500 0,000 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

LOTES

FIG. 4.8 Densidades real e aparente dos lotes produzidos 4.3.1

Abrasão Los Angeles e absorção dos lotes produzidos Optou-se por utilizar, dentre os vários ensaios sugeridos pela metodologia de

produção de agregado artificial de argila calcinada, TAB. 2.14, apenas os ensaios de abrasão Los Angeles, DNER-ME 222/94 – Agregado sintético fabricado com argila – desgaste por abrasão, e absorção do agregado graúdo, DNER-ME 081/98 – Agregados – determinação da absorção e da densidade de agregado graúdo, dos agregados produzidos, para avaliação e aceitação dos lotes produzidos.

122

Esta escolha deve-se ao fato do ensaio de abrasão Los Angeles ser amplamente difundido no meio rodoviário e da simplicidade para realização do ensaio de absorção. A associação destes ensaios permite ao engenheiro rodoviário uma rápida avaliação do lote produzido em até 24 horas, e uma boa predição do comportamento mecânico da massa asfáltica produzida e do consumo de ligante, conjugando assim a viabilidade técnica e econômica deste material em pavimentação asfáltica. Porém, cabe ressaltar que o ensaio abrasão Los Angeles forneceu uma medida preliminar da resistência do agregado graúdo à degradação por abrasão e impacto. De acordo com ROBERTS et al. (1996), algumas observações de campo não mostram uma boa relação entre a perda de abrasão Los Angeles e o desempenho. As especificações brasileiras para serviços de pavimentação que envolvem o uso de agregados como execução de camadas de base e revestimento normalmente limitam o valor da Abrasão Los Angeles (LA) entre 40 e 55% porém, agregados de algumas regiões do Brasil, apresentam valor da abrasão Los Angeles acima de 55%, em alguns casos chegando a 65%. Experiências mostram que alguns agregados produzem excelente desempenho mesmo com valor de abrasão Los Angeles acima dos limites sugeridos pelas normas rodoviárias. Um detalhe que deve ser observado quando se utilizam agregados com alto valor de abrasão Los Angeles em misturas asfálticas é a produção de pó durante sua manipulação e a produção da mistura asfáltica (MARQUES, 2001). Isto se deve à impossibilidade de se encontrar agregados com este parâmetro atendido nas proximidades da obra. Contudo, muitas rodovias foram pavimentadas usando-se os agregados da região do Rio de Janeiro em desacordo com estas exigências, mas com a autorização do DNER para tal procedimento (MARQUES, 2001). Com relação à absorção de água, o maior valor obtido foi 16,0 %, abaixo do limite de 18,0 % propostos pela metodologia de produção. A FIG. 4.9, apresenta um histograma com os lotes produzidos por faixa de absorção.

123

Lotes produzidos por faixa de absorção

Quantidade

6

5

5 4 3 2

2

2 1

1 0 < 9,0%

9,0% ~ 12,0%

12,0% ~ 15,0%

> 15,0%

Faixa de absorção

FIG. 4.9 Histograma de lotes produzidos por faixa de absorção Segundo KANDHAL et al. (1997), nenhum dado significativo de pesquisa ainda é apropriado para indicar alguma relação entre a absorção de água do agregado e o desempenho da mistura asfáltica que utilize aquele agregado. Entretanto, é comum os órgãos rodoviários dos estados americanos estipularem um valor máximo permitido para a absorção de água, o qual varia de 2 a 6%, em virtude do possível elevado custo com uma taxa de ligante acima do normalmente empregado em obras rodoviárias (BATISTA, 2004). Alguns tipos de agregados, especialmente os artificiais, apresentam alta absorção, gerando um elevado consumo de ligante. Porém, em algumas regiões, a carência de materiais pétreos eleva substancialmente os preços de obras de engenharia que poderiam se valer de tais materiais alternativos a preços compensatórios. A metodologia de produção de agregado artificial de argila calcinada, CABRAL (2005), estipulou um limite para Abrasão Los Angeles de 50,0 % e para a absorção de água de 16,0 %. Nenhum dos lotes analisados apresentou valor superior aos limites estipulados por esta, conforme se verifica no gráfico da FIG. 4.10 e na análise estatística realizada, TAB. 4.6.

124

Absorção e Abrasão Los Angeles 50 43,0 45 40,1 37,4 40 34,1 33,9 32,0 32,1 35 30,9 30,0 26,4 30 25 20 16,0 14,6 14,3 15,5 14,2 14,9 15,0 15 10,7 10 7,9 5 1,3 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 LOTES Absorção (%)

Abrasão L.A.(%)

FIG. 4.10 Absorção e abrasão Los Angeles dos lotes produzidos TAB. 4.6 Estatística dos ensaios realizados nos lotes

Lote 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Abrasão L.A.(%) Absorção (%) 30,0 14,3 34,1 10,7 40,1 16,0 32,0 14,6 32,1 7,9 33,9 15,0 30,9 14,2 37,4 15,5 43,0 14,9 µ 34,8 13,7 σ 4,4 2,7 CV 0,127 0,194 31,9 12,0 Intervalo de a a Confiança (95%) 37,7 15,4 Os resultados obtidos no lote 8 foram descartados para análise estatística, em virtude do valor da absorção encontrar-se bem abaixo do que se normalmente obtém com este tipo de agregado. Durante a realização do ensaio de desgaste por abrasão, especial atenção se deve dar à correção de quantidade em massa de agregados, a fim de se evitar um volume

125

excessivo de material na máquina de ensaio. Esta observação também vale para a carga abrasiva, número de esferas. 4.4

Ensaios com argila calcinada: estabilização granulométrica e mistura solo-

agregado Serão apresentados e analisados nesse tópico os resultados de Índice de Suporte Califórnia, ISC, módulo de resiliência, MR e Deformação Permanente de estabilizações granulométricas com argila calcinada e misturas solo-agregado com esta e com outros agregados usuais do meio rodoviário. As principais características, classificação e a granulometria das estabilizações granulométricas, TAB 4.7, e misturas solo-agregados, TAB. 4.8 e TAB. 4.9, analisadas encontram-se apresentadas a seguir. TAB. 4.7 Granulometria, limites e classificação da Argila Calcinada Graduada

Granulometria, limites e classificação – ACG Faixa

1’’

3/4’’

3/8’’

n° 4

n° 10

N° 40

n° 200

LL

IP

IG

SUCS

HRB

C

100

98,0

68,0

50,0

38,0

23,0

10,0

NP

NP

0

GP-GM

A-1a

III

88,5

77,0

58,5

43,0

32,0

16,5

7,5

NP

NP

0

GP-GM

A-1a

TAB. 4.8 Granulometria das misturas solo-agregados estudadas Solo

SOLO A

SOLO B

%

30 50 70 30 50 70 30 50 70 50

Agregado

BRITA SEIXO ARGILA CALCINADA

%

70 50 30 70 50 30 70 50 30 50

Granulometria (% em peso passante) 1’’

3/4’’

3/8’’

n° 4

n° 10

n° 40

n°200

99,4 99,2 100 100 100 100 100 100 100 100

92,0 97,0 97,2 100 100 100 100 100 99,6 83,4

57,4 63,1 74,7 80,3 83,8 88,5 58,6 70,2 70,7 64,6

30,7 39,9 54,5 54,6 60,0 71,3 38,5 48,7 54,1 46,6

21,5 35,9 47,7 35,5 44,7 60,5 28,1 38,6 49,3 38,5

14,1 28,3 41,3 21,7 34,4 51,8 19,8 31,0 43,7 34,3

8,6 17,2 30,5 14,9 26,3 39,8 14,1 22,6 32,7 29,5

126

TAB. 4.9 Limites de consistência, densidade real e classificação das misturas soloagregados Solo

%

Agregado

LL

IP

IG

d real

SUCS

HRB

70

29,5

12,9

0

2,755

GP-GC

A-2-6

50

28,1

9,8

0

2,744

GW-GC

A-2-4

70

30

42,8

20,9

2

2,763

GW-GC

A-2-7

30

70

34,7

13,4

0

2,652

GP-GC

A-2-6

50

50,0

8,5

0

2,671

GW-GC

A-2-5

70

30

42,4

15,8

2

2,667

GW-GC

A-7-6

30

70

36,4

15,1

0

2,663

GP-GC

A-2-6

30 BRITA

50

SOLO A

SOLO B

Caracterização e classificação

%

SEIXO

50

50

ARGILA

50

41,5

16.2

0

2,638

GW-GC

A-2-7

70

CALCINADA

30

45,4

17,1

1

2,641

GW-GC

A-2-7

50

NP

-

0

2,584

GW-GM

A-2-4

50

4.4.1 Resultados de índice de suporte califórnia – ISC Na realização deste ensaio, seguiu-se o procedimento apresentado no item 3.6.1.1, transcritos do método de ensaio DNER-ME 049/94 – Ensaio de Índice de Suporte Califórnia. Foram analisadas misturas solo-agregados constituídas por materiais pétreos usuais no meio rodoviário, principalmente na região norte do país, como seixo-rolado e brita. Os resultados obtidos com estes materiais foram comparados aos obtidos empregando-se argila calcinada, amostra representativa dos lotes – lote 1 a 8 – produzidos em Santarém-PA. Estudou-se ainda o emprego da argila calcinada sem adição de solo, como se faz usualmente com a brita – brita graduada –empregando-a enquadrada na faixa C da especificação de serviço DNER-ES 303/97. A TAB. 4.10 apresenta os valores médios dos resultados obtidos de I.S.C. e expansão dos solos, das misturas solo-agregados e estabilizações granulométricas analisadas.

127

TAB. 4.10 Índice de Suporte Califórnia e expansão dos solos, misturas solo-agregados e estabilizações granulométricas analisadas Solo

%

%

Energia de Compactação

70 50 30 70 50 30 70 50 50 30 50 100 100

Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Intermediária Modificada Modificada Modificada Intermediária Modificada

Agregado

100 30 BRITA 50 70 30 SOLO A SEIXO 50 70 30 50 ARGILA 50 CALCINADA 70 50 SOLO B 100 ARGILA CALCINADA GRADUADA – FAIXA C

hensaio (%) 18,6 5,3 7,2 9,7 9,1 12,1 13,2 17,6 16,1 14,3 14,2 13,8 10,1 18,9 19,1

I.S.C. (%) 28 163 127 79 113 41 28 95 81 31 38 74 9 71 192

Expansão (%) 0,09 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,12 0,12 0,01 0,02 0,04 -

Os resultados de ISC das misturas solo-argila calcinada foram superiores aos das misturas com seixo-rolado em 35,7% e 97,6% para as misturas com 30 % e 50 % de agregados presentes em relação à massa seca do solo A. Já os resultados de ISC, obtidos com mistura solo-agregados com 70 % de agregado, o menor valor obtido foi com soloargila calcinada sendo a mistura com seixo-rolado e brita superiores a esta em 18,9 % e a 71,6 % respectivamente, FIG. 4.11.

163 127

113

ISC (%)

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

81 28

41

Seixo Rolado 30% de agregados

95

79

38

Argila Calcinada 50% de agregados

Brita 70% de agregados

FIG. 4.11 Índice de Suporte Califórnia de misturas solo-agregados

128

Os baixos valores obtidos com o seixo-rolado nas proporções de solo/agregado 70%/30% e 50%/50%, provavelmente, devem-se ao seu formato arredondado e sua textura lisa. Por outro lado, os valores obtidos com o emprego de 30% de solo e 70% de seixo-rolado apresentaram valores superiores aos obtidos com argila calcinada em virtude de sua maior resistência mecânica em relação à argila calcinada, uma vez que estes apresentam boas características mecânicas, resistência à abrasão e choque, independente de sua forma e textura. Analisando os resultados das misturas de 50% de solo A e 50% de argila calcinada obtém-se um Índice de Suporte Califórnia médio superior a 80,0%. Isto representa um aumento de aproximadamente três vezes o valor da capacidade de suporte deste solo, 189%. Optou-se ainda por analisar um outro solo, solo B - agora não plástico, nas mesmas proporções em massa anteriormente citadas. O incremento nos resultados obtidos com esta mistura foi superior ao obtido anteriormente, aproximadamente oito vezes o valor da capacidade de suporte deste novo solo, 722%. A FIG. 4.12 apresenta o incremento nos valores de ISC, dos solos analisados, empregando-se misturas solo-agregados a 50 % em massa de argila calcinada, compactadas em energia modificada.

Índice de Suporte Califórnia (% ) Solo x 50% Solo / 50% Argila Calcinada

ISC (%)

100

81

80

74

60 40

Solo Solo-Agregado

28 9

20 0 Solo A

Solo B Energia Modificada

FIG. 4.12 Incremento do Índice de Suporte Califórnia dos solos estudados

129

Foram analisadas misturas solo A - argila calcinada, com os mesmos 50% em massa anteriormente citados, compactadas em níveis de energia distintos, intermediária e modificada, FIG. 4.13.

Índice de Suporte Califórnia (% ) 50 % Solo A / 50% Argila Calcinada

100

81

ISC (%)

80 60 31

40 20 0

Intermediária

Modificada Energia

FIG. 4.13 Influência da energia de compactação nos resultados de ISC Os resultados obtidos com o emprego de brita foram superiores em todas as combinações, pois se trata de um material nobre, amplamente empregado no meio rodoviário em misturas solo-agregados. Outra observação a ser feita é que apesar de sua superioridade técnica em relação aos demais materiais estudados, o seu emprego na região norte, atualmente, encarece e por vezes inviabiliza investimentos em infra-estrutura de transportes, principalmente nesta região. Os resultados obtidos com argila calcinada foram satisfatórios para o emprego em camadas de base de pavimento, de acordo com o método de dimensionamento do DNER/DNIT, para quantidades de argila calcinada presente em relação à massa seca de material, iguais ou superiores a 50,0 %. Durante o experimento avaliou-se também a influência, nos resultados de Índice de Suporte Califórnia, do período de imersão dos corpos-de-prova. Com esse fim, foram analisadas estabilizações com argila calcinada pura, enquadradas na faixa C da especificação de serviço DNER-ES 303/97, compactadas à energia intermediária e modificada. A FIG. 4.14 apresenta estes resultados.

130

250

ISC (%)

200 150

200

192

72

71

2

4

141 101

100 50 0 0

Dias de imersão Energia Modificada

Energia Intermediária

FIG. 4.14 Índice de Suporte Califórnia (ACG - 0, 2 e 4 dias de imersão) Constata-se

que

a

imersão

dos

corpos-de-prova

de

estabilizações

granulométricas com argila calcinada pura, compactadas sob energia intermediária, reduz os valores de ISC obtidos sem imersão. A redução após 2 dias de imersão foi de 30,0 %, depois deste período, a redução não se mostrou significativa, como se observa na FIG. 4.14. Com isso é possível estimar este valor com apenas 2 dias de imersão. No caso da energia modificada, como os valores de ISC foram bem superiores a 80,0 %, preconizado como menor valor admissível para o emprego como camada de base de pavimento em rodovia federal, tal análise não se faz necessária. Entretanto, cabe ressaltar, que o emprego desta energia aumentou em aproximadamente três vezes o valor deste índice, aumento de 170 %. Enquadrou-se ainda, o agregado de argila calcinada na faixa III do Departamento de Estradas de Rodagem – DER/PR. Entretanto, pode-se observar na FIG. 4.15 que os resultados foram bem próximos, menos que 10,0 % de diferença . Como foram realizados apenas dois corpos-de-prova nesta faixa e os resultados de Índice de Suporte Califórnia normalmente apresentam certa dispersão, é possível, com base nestas amostras, afirmar que a adoção desta faixa, em princípio, não aufere algum incremento significativo do Índice de Suporte Califórnia.

131

100 77

ISC (%)

80

71

60 40 20 0 FAIXA III - DER/PR

FAIXA C - DNIT

Energia Intermediária

FIG. 4.15 Índice de Suporte Califórnia de Argila Calcinada Graduada 4.4.2 Módulo de resiliência As misturas de solo-agregados e as estabilizações granulométricas com argila calcinada pura foram ensaiadas conforme o método de ensaio do DNER-ME 131/94, descrito no item 3.6.2 da presente dissertação. Optou-se inicialmente por ensaiar misturas solo-agregados empregadas: seixorolado, brita e argila calcinada, como materiais pétreos destas misturas, compactadas à energia modificada. Para comparar os resultados obtidos com estes materiais, descartaram-se os valores de módulo de resiliência situados fora do intervalo µ ± 2σ, obtendo-se assim nova média (µN) e desvio padrão (σN.). A TAB. 4.11 apresenta os resultados consolidados do tratamento estatístico realizado. Para cada combinação apresentada na TAB. 4.11, foram realizados pelo menos dois corpos-de-prova. A FIG. 4.16 apresenta uma comparação entre os resultados de módulo de resiliência obtidos, empregando-se os principais pétreos utilizados no meio rodoviário adicionados, em três proporções distintas em relação à massa seca do solo A, compactadas sob energia modificada.

132

TAB. 4.11 Análise estatística dos resultados dos ensaios de Módulo de Resiliência Solo

%

Agregado

100 30 BRITA 50 70 30 SEIXO 50 SOLO A 70 15 30 50 ARGILA CALCINADA 70 85 50 SOLO B 100 ARGILA CALCINADA GRADUADA – FAIXA C

%

Energia de Compactação

70 50 30 70 50 30 85 70 50 30 15 50 0 100 100

Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Intermediária Modificada

Tratamento Estatístico µN(Mpa) σN(Mpa) CV MR(MPa) 400,8 190,1 0,47 401 947,5 249,3 0,26 947 1228,7 458,9 0,37 1229 586,2 178,1 0,30 586 495,5 130,7 0,26 495 654,5 263,3 0,40 654 769,3 315,4 0,41 769 179,5 53,7 0,30 179 230,1 58,0 0,25 230 621,6 377,7 0,60 622 956,8 684,5 0,71 957 587,3 189,2 0,32 587 161,6 43,9 0,27 162 233,6 53,8 0,23 234 63,4 17,1 0,27 63 137,9 43,5 0,31 138

1.600 1.400

MR (MPa)

1.200 1.000

1.229 957

800

947

600

769

586

654

495 622

400

230

200 30%

50% % em massa de agregado na mistura Argila Calcinada

Brita

70%

Seixo Rolado

FIG. 4.16 Módulo de resiliência de misturas solo-agregados (30%, 50% e 70%) Com base nos resultados obtidos com as amostras ensaiadas, observa-se que na proporção em massa de 30% de argila calcinada, em relação à massa seca deste solo, os resultados foram superiores aos da brita e do seixo-rolado. Entretanto, ao se aumentar esta proporção, esta superioridade não se constata.

133

Com o objetivo de caracterizar o comportamento resiliente de misturas soloagregados empregando argila calcinada, foram realizados ensaios com outras proporções em relação ao solo A, compactadas sob energia modificada, conforme se verifica na FIG. 4.17.

MR (MPa) e ISC (% ) 1200 Módulo de Resiliência (MPa)

957

1000

Índice de Suporte Califórnia (%)

800

400

622

587

600

401 230

200

81

38

28

95

179

138

192

0 0

15

30

50

70

85

100

% em massa de argila calcinada presente na mistura

FIG. 4.17 Comportamento de resiliente e ISC de misturas solo-argila calcinada Analisando estes resultados, sugere-se o emprego de argila calcinada em misturas solo-agregados à proporções em massa em relação ao solo seco entre 30 e 50%. Quantidades de argila calcinada superiores ao limite anteriormente sugerido, devido ao baixo valor da massa unitária desta, não produziram misturas solo-agregados homogêneas. O solo A, de massa unitária superior à argila calcinada, produziu nas proporções em massa, acima do limite sugerido, misturas solo-agregados com volume de vazios inadequados a obtenção de uma boa disposição das partículas, os quais influenciaram nos baixos resultados de módulo de resiliência. Observa-se, com estes resultados, que não é possível aplicar a correlação, amplamente difundida no meio rodoviário, entre módulo de resiliência e índice de suporte Califórnia, sugerida por HEUKELMOM e FOSTER (1960), item 3.3.2 - EQ. 3.4.

134

Optou-se ainda por avaliar a influência da energia de compactação nos resultados de módulo de resiliência, FIG. 4.18, obtidos com a mistura solo-argila

Módulo de Resiliência (MPa)

calcinada à proporção de 50% em massa.

700

622

600

50%Solo A/50%Argila Calcinada

500 400 300

238

200 100 0 Intermediária

Modificada

Energia de Compactação

FIG. 4.18 Influência da energia de compactação nos resultados de Módulo de Resiliência Contatou-se que o nível de energia da compactação, por ser responsável pela redução do volume de vazios destas misturas e diminuição da umidade, proporcionou um incremento de 161% nos resultados de módulo de resiliência. Outra análise realizada foi do solo empregado e sua contribuição nos resultados de módulo de resiliência, à proporção em massa de 50% em relação à massa seca destes solos. A energia de compactação empregada foi a modificada e os resultados encontram-se na FIG. 4.19.

Módulo de Resiliência (MPa) 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Solo

622

50%Solo/50%Argila Calcinada

401

234

Solo A

162

Solo B Energia Modificada

FIG. 4.19 Incremento de módulo de resiliência dos solos estudados

135

Contatou-se que, com relação ao solo A, plástico, o aumento no valor de módulo de resiliência foi de 55%. Entretanto, para o solo B, não plástico, não houve melhora em seu comportamento resiliente. Apesar do resultado com solo B não ter sido satisfatório, empregando-se a proporção escolhida para esta comparação, seria necessário avaliar outras proporções, compreendidas entre os limites sugeridos por este estudo sobre o emprego de misturas solo-agregados constituídas por argila calcinada, para concluir-se sobre os benefícios de seu emprego para o comportamento resiliente deste solo. O comportamento de estabilizações com argila calcinada pura, enquadradas na mesma faixa C do ensaio de Índice de Suporte Califórnia, foi analisado comparando-se os resultados de módulo de resiliência obtidos com corpos-de-prova compactados em dois níveis de energia distintos: intermediária e modificada. A FIG. 4.20 apresenta estes resultados. Módulo de Resiliência (MPa) 160 140 120 100 80 60 40 20 0

138

ACG FAIXA C

63

Intermediária

Modificada

Energias de Compactação

FIG. 4.20 Módulo de Resiliência de Argila Calcinada Graduada (Faixa C) Usando o método dos mínimos quadrados, procurou-se o melhor ajuste dos resultados obtidos no ensaio de módulo de resiliência ao modelo composto, EQ. 4.1. MR = k1σ3k2σdk3

EQ 4.1

Onde: MR – Módulo de Resiliência, MPa; k1, k2 e k3 – parâmetros experimentais;

σ3 – tensão confinante, MPa .

136

σd – tensão desvio, MPa. Este modelo é o mais genérico do ponto de vista da granulometria dos solos e tornou-se corrente o seu emprego nos últimos anos. Além disso, MACÊDO (1996) mostrou que estatisticamente este modelo é mais aceitável e permite a obtenção de coeficientes de determinação, R2, da ordem de 0,96 (MEDINA e MOTTA, 2005). A TAB. 4.12 consolida os resultados para k1, k2, k3 e R2 do modelo composto, empregado para expressar o comportamento resiliente dos materiais ensaiados. Entretanto, cabe ressaltar que não existem modelos intrínsecos aos solos ou a qualquer outro material, empregando mistura destes com materiais pétreos (MEDINA e MOTTA, 2005). De maneira geral, a média do coeficiente de ajustamento (R2) para os modelos compostos adotados para expressar o comportamento resiliente das misturas solo-argila calcinada, foi de 0,62. Os melhores ajustamentos a este modelo foram observados com solo A e com a argila calcinada graduada compactados à energia modificada. A medida que se acrescenta agregado a este solo, observa-se que o maior R2 obtido, foi com as mistura solo-argila calcinada com 15% e 30% em massa de agregado. TAB. 4.12 Constantes k1, k2 e k3 do modelo composto MR = k1σ3k2σdk3 e R2 obtido %

Solo

SOLO B -

100 30 50 70 30 50 70 15 30 50 50 70 85 50 100 -

Agregado

BRITA SEIXO

ARGILA CALCINADA

ARGILA CALCINADA

%

70 50 30 70 50 30 85 70 50 50 30 15 50 100 100

Energia de Compactação Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Intermediária Modificada Modificada Modificada Modificada Intermediária Modificada

137

k1 153,635 364,080 858,424 626,617 823,081 232,585 105,343 621,881 454,780 182,295 399,748 190,771 349,679 369,610 568,032 2,927 647,666

MR = k1σ3k2σdk3 k2 k3 0,466 -1,087 0,226 -0,543 0,379 -0,723 0,249 -0,502 0,517 -0,414 0,154 -0,702 -0,225 -0,735 0,438 0,003 0,426 -0,241 0,179 -0,767 0,385 -0,246 0,337 -1,214 0,255 -0,545 0,369 -0,098 0,484 -0,206 -0,464 -0,769 0,441 0,156

R2 0,93 0,43 0,53 0,74 0,57 0,81 0,79 0,76 0,33 0,72 0,40 0,87 0,87 0,37 0,71 0,84 0,96

Empregou-se a estatística F, usada na ANOVA, teste unilateral superior, isto é, a hipótese nula de que as médias são iguais para cada grupo será rejeitada se o Fcalculado a partir de valores significantemente grande excede um valor teórico acima do qual o erro a ser cometido é maior que o desejado (LOPES, 1999). Neste teste ANOVA, chamado de fator único, F é a razão da medida de variabilidade entre os grupos para a variabilidade dentro dos grupos.Rejeitar a hipótese nula significa que alguma diferença foi determinada entre as médias da população, embora não seja identificada qual média é diferente das outras. As TAB. 4.13, TAB. 4.14 e TAB. 4.15 apresentam estas estatísticas, a partir de uma regressão linear múltipla com os valores do ensaio de módulo de resiliência, empregando-se energia modificada ao solo A, a misturas solo-agregado com o percentual de agregado em relação a massa seca do solo de 50% e Argila Calcinada Graduada. TAB. 4.13 Regressão linear múltipla – Solo A

138

TAB.

4.14

Regressão

linear

múltipla

–

50%Solo

A-50%Argila

Calcinada

TAB. 4.15 Regressão linear múltipla – Argila Calcinada Graduada

Observa-se que a partir dos valores-P obtidos nestas análises, o módulo de resiliência é mais sensível à tensão desvio e, ao aumentar-se a presença de argila calcinada nas misturas solo-agregados, a tensão confinante passa assumir este papel. 4.4.3 Deformação permanente

Este item apresenta a deformação permanente desenvolvida nos corpos-de-prova de misturas solo-agregados, 50% de solo A e 50% de argila calcinada, e estabilizações granulométricas com argila calcinada pura enquadrada na faixa C da especificação de serviço DNER-ES 303/97 do DNER, compactados à energia modificada. 139

Para isto, foi selecionado da literatura o modelo tradicional de deformação permanente de MONISMITH et al. (1975), citado no item 3.3.4 da presente dissertação. Estes ensaios foram conduzidos de forma a poder verificar a influência da tensão desvio (σd), tensão confinante (σ3) e razão de tensões (σd/σ3) nas deformações permanente ocorridas nos corpos-de-provas ensaiados. A seguir, na TAB. 4.16, são apresentadas as condições de realização destes ensaios. TAB. 4.16 Condições de execução do ensaio de deformação permanente

Material Solo-Argila Calcinada

ACG – Faixa C

σd (kgf/cm2)

σd/σ3

hensaio (%)

NC6

0,7

1

15,9

115.000

1,4

2

16,4

111.000

2,1

3

16,8

65.000

0,7

1

18,7

150.000

1,4

2

19,5

150.000

2,1

3

18,3

168.000

Normalmente, nos ensaios de deformação permanente não há um consenso na fixação do número de ciclos, NC, necessários para o seu fim. Usualmente, verifica-se a tendência ao acomodamento do material ao longo dos sucessivos registros. Assim, alguns autores se limitaram a 10.000 ciclos, outros se estenderam a 100.000 ciclos (GUIMARÃES, 2001). As FIG. 4.21 e 4.22 mostram as curvas de variação da deformação permanente específica com o número de aplicação de cargas. Todas as curvas apresentaram forma semelhante, observando-se um acentuado acréscimo nos ciclos iniciais e a maior deformação permanente obtida com a argila calcinada graduada. 6

Número de repetições - Ciclos

140

Deformação total (mm)

1 0,9 0,8 0,7 0,6

σd/σ3=3 σd/σ3=2 σd/σ3=1

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

Número de Ciclos

50% de Solo A / 50% Argila Calcinada FIG. 4.21 Deformação total (Solo-agregado - h=200 mm)

Deformação total (mm)

8 7

σd/σ3=3

6

σd/σ3=2

5

σd/σ3=1

4 3 2 1 0 0

20000

40000

60000

80000

100000 120000 140000 160000 180000

Número de Ciclos

Argila Calcinada Graduada – Faixa C FIG. 4.22 Deformação total (Estabilização granulométrica – h=200 mm) O emprego de argila calcinada pura apresentou uma acentuada deformação plástica total possivelmentelmente devido à baixa coesão apresentada pelo material, que ao ser submetido a uma tensão desvio de 0,21 MPa apresentou uma deformação de 7,653mm a 168000 aplicações de carga, conforme se verifica na FIG. 4.22. A mistura solo-argila calcinada apresentou, a uma razão σd/σ3=3, uma deformação a 65.000 aplicações de cargas, bem inferior à argila calcinada pura. A seguir, encontram-se calculados, TAB. 4.17, a deformação plástica total empregando-se o modelo tradicional de deformação permanente de MONISMITH et al. (1975) para uma espessura de camada de 200 mm.

141

TAB. 4.17 Modelo de MONISMITH para previsão deformação plástica da camada

Material Solo-Argila Calcinada ACG – Faixa C

σd/σ3

σ3(MPa)

A

B

R2

1 2 3 1 2 3

0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07

0,1094 0,3221 0,5069 0,5063 0,7169 0,5874

0,1229 0,0854 0,0597 0,0412 0,1264 0,2228

0,60 0,77 0,88 0,82 0,97 0,98

δp(mm)/h= 200 mm N=107 N=5x107 0,79 0,97 1,28 1,46 1,33 1,46 0,98 1,05 5,50 6,74 21,31 30,50

MEDINA e MOTTA (2005) citam os resultados da pista experimental da AASHO (1958-1960), nos EUA, na qual foi possível determinar-se a porcentagem de contribuição de cada camada do pavimento para o afundamento da trilha de roda. •

Revestimento 32%;

•

Base de Brita Graduada 4%;

•

Subbase Granular 45%; e

•

Subleito Argiloso 19%. A pista experimental da AASHO sofreu grande influência de fatores climáticos-

ambientais, principalmente o chamado degelo da primavera, período no qual as camadas do pavimento tendem à saturação. Além disso, o material constituinte do subleito possuía argilo-minerais expansivos. Estes dois fatores, obviamente, contribuíram, e muito, para o afundamento de trilha de roda. No Brasil, QUEIRÓZ (1984) utilizou dados da Pesquisa de InterRelacionamento de Custos Rodoviários, elaborada pelo GEIPOT, para analisar, entre outros fatores relacionados ao desempenho, a deformação permanente em pavimento brasileiros. Observou-se que a deformação permanente medida em 45 trechos analisados atingiu valor máximo de 7,4 mm e média de 2,53 mm, muito abaixo do valor máximo admissível em geral, como, por exemplo, o de 1,27 cm adotado pela FAA Federal Aviation Regulations. Nesse contexto, com base nos valores citados por QUEIRÓZ (1984), os resultados obtidos com argila calcinada se mostraram adequados para o emprego como camada de base e sub-base, exceto os valores para argila calcinada graduada para N=107 e 5x107 com σd/σ3=3. Entretando, este estado de tensão é bem superior ao que normalmente estas camadas de pavimento são submetidas.

142

4.5

Determinação expedita da resistência à água sobre agregados graúdos (ABNT

NBR 14329) Este método consiste em avaliar a adesividade através da imersão de partículas de agregado graúdo revestidos por ligante betuminoso em água em ebulição por um período de 3 minutos. A amostra é condicionada em um cesto metálico e, após o ensaio, é realizada uma avaliação visual da porcentagem de área superficial descoberta. A adesividade obtida com os agregados artificiais de argila calcinada, empregados na construção do segmento experimental, foi boa. Este resultado é qualitativo classifica a adesividade em boa, satisfatória, regular ou má. Este ensaio foi realizado com o objetivo de se verificar a necessidade de adição de dope ao cimento asfáltico de petróleo para realização nas dosagens Marshall programadas. 4.6

Dosagem Marshall e características da massa asfáltica empregada Após à avaliação visual deste agregado, foram realizadas dosagens Marshall

utilizando o ligante (CAP 30/45) sem o emprego de dope. No presente experimento foram avaliadas três combinações de agregados, TAB. 4.18. TAB. 4.18 Combinação de agregados dosados pelo método Marshall Material Agregado Graúdo Agregado Miúdo Material de enchimento

Traço 1 Traço 2 Traço 3 Agregado Artificial de Argila Calcinada Argila calcinada Areia Pó-de-pedra Cal hidratada Argila calcinada Cal hidratada

A TAB. 4.19 apresenta os projetos das misturas de pétreos propostas, dosados pelo método Marshall, para os segmentos experimentais não realizados, com outras combinações de agregados miúdos e material de enchimento, e o traço efetivamente empregado na construção do segmento programado. Essas misturas foram enquadradas dentro da Faixa B da especificação de serviço DNER-ES 313/97, FIG. 4.23

143

TAB. 4.19 Mistura de pétreos das misturas asfálticas dos segmentos experimentais

Traços Analisados - % em massa Proposto (1) Proposto (2) Executado (3)

Material Argila calcinada 1 Argila calcinada 0 Pó-de-pedra Pó-de-argila calcinada Areia Cal hidratada

Total

44,0 31,0 23,0 2,00

44,0 26,0 22,0 8,00 -

45,0 15,0 37,0 3,00

100,0

100,0

100,0

Curva Granulométrica - Faixa B

100% 80% 60% 40% 20%

0,01

0,1

1

P o rcentag em P assand o (% )

120%

Lim Sup Faixa B Lim Inf Faixa B Pó-de-pedra e cal Pó-de-argila calcinada e cal Areia e pó-de-argila calcinada

0% 100

10

Diâmetro das Partículas (mm)

FIG. 4.23 Limites da faixa B e traços de concreto asfáltico com argila calcinada Dentre as combinações dosadas por este método, o traço 3 foi o único que se enquadrou dentro dos limites para emprego como camada de rolamento-Capa, DNIT 031/2004 –ES, TAB. 4.20. TAB. 4.20 Característica da massa asfáltica dosada para o segmento experimental Características

Traço 3

Teor de ligante Densidade teórica Densidade aparente Vazios,% Relação Betume-vazios,% Estabilidade Marshall

10,0±0,2 2,047 1,95 4,7 81,2 970

144

Capa de Rolamento (DNIT 031/2004 – ES) 3a5 75 a 82 > 500

O relatório das dosagens Marshall realizadas encontram-se no apêndice da presente dissertação. A FIG. 4.24 ilustra as curvas (volume de vazios x % de ligante) e (relação betume vazios x % de ligante) obtidas com o traço 3.

Volume de Vazios x % Ligante 10,00

Volume de Vazios (%)

9,00 8,00 7,00 Volume de Vazios x % Ligante

6,00 5,00 4,00 3,00 7,0%

7,5%

8,0%

8,5%

9,0%

9,5%

10,0%

10,5%

11,0%

% Ligante

(a) Volume de vazios do traço 3 Relação Betume-Vazios x % Ligante

Relação Betume- Vazios (%)

90,00 85,00 80,00 75,00 Relação Betume-Vazios x % Ligante

70,00 65,00 60,00 55,00 7,00%

7,50%

8,00%

8,50%

9,00%

9,50%

10,00%

10,50%

11,00%

% Ligante

(b) Relação betume-vazios do traço 3 FIG. 4.24 Variação do volume de vazios e relação betume-vazios doTraço 3 Ao total foram moldados 30 corpos-de-prova para realização destas dosagens. A seguir é apresentado o planejamento experimental para avaliar o concreto asfáltico empregado no segmento experimental.

145

4.7

Ensaios com concreto asfáltico – módulo de resiliência e resistência à tração Empregou-se, na realização dos ensaios de módulo de resiliência e resistência à

tração, os procedimentos descritos no item 3.6.1 e 3.6.2, obedecendo-se à temperatura de 25° C. A TAB. 4.21 apresenta os valores de módulo de resiliência e resistência à tração obtidos com a mistura projetada para o segmento experimental. TAB. 4.21 Módulo de Resiliência e Resistência à Tração (Argila calcinada) CP 13 14 155 165 175

µ s

MR (MPa) 3133 2802 2727 2887 216

RT (MPa) 0,98 0,92 1,00 0,96 0,90 0,95 0,05

Os corpos-de-prova foram moldados no Instituto de Pesquisas Rodoviárias – IPR e os ensaios de módulo realizados na COPPE/UFRJ. Estes resultados foram comparados aos obtidos com um traço de concreto asfáltico com seixo-rolado beneficiado de maneira a obter-se a mesma granulometria do traço projetado para o segmento experimental, FIG. 4.25. Curva Granulométrica - Faixa B

100% 80% 60% 40% 20%

0,01

0,1

1

Porcentagem Passando (%)

120%

Faixa B_Lim_Sup Faixa B_Lim_Inf Seixo-Rolado Argila Calcinada

0% 100

10

Diâmetro das Partículas (mm)

FIG. 4.25 Granulometria dos pétreos e limites da faixa B do DNIT

146

A TAB. 4.22 apresenta os valores de módulo de resiliência e resistência à tração obtidos com concreto asfáltico empregando seixo-rolado. TAB. 4.22 Módulo de Resiliência e Resistência à Tração (Seixo-Rolado) CP 46 47 48 49 50

µ s

MR (MPa) 6251 6700 6737 6863 6663 6643 232

RT6 (MPa) 1,24 1,22 1,25 1,25 1,22 1,24 0,01

Os resultados médios de módulo de resiliência e resistência à tração dos corposde-prova com seixo-rolado foram superiores aos dos com argila calcinada. Em média, os valores de resistência à tração destes foram 13,0% maiores e os de módulo de resiliência um pouco mais que o dobro, 130,0%. As características desta mistura podem ser comparadas às obtidas com as da projetada para o segmento experimental, TAB. 4.23. TAB. 4.23 Característica da massa asfáltica dosada para o segmento experimental Características Teor de ligante Densidade teórica Densidade aparente Vazios,% Relação Betume-vazios,% Estabilidade Marshall (kgf)

Argila Calcinada 10,0 ± 0,2 2,047 1,950 4,7 81,2 970

Seixo-Rolado 5,7 ± 0,2 2,424 2,342 3,5 78,8 660

O consumo de ligante, em uma primeira análise, se mostra bastante superior no caso da argila calcinada, praticamente o dobro, entretanto verifica-se que a baixa densidade da mistura com este agregado conduz a maiores áreas pavimentadas. Portanto, ao comparar-se estes percentuais, deve se levar em conta relações volumétricas e não massivas. 5 6

Ensaio de resistência à tração após realização do ensaio de módulo de resiliência Ensaio de resistência à tração após realização do ensaio de módulo de resiliência

147

O custo de transporte também diminui, uma vez que os caminhões passam a transportar os mesmos volumes com menos massa. Como os órgãos normalmente pagam por tonelada transportadas por quilômetro (ton.km), também deve-se considerar este benefício para custo final do concreto asfáltico executado com esta alternativa em material pétreo sintético de argila. Os resultados da estabilidade Marshall, obtidos com seixo-rolado, foram menores que os obtidos com argila calcinada, aproximadamente 68% do valor da estabilidade obtida com esta alternativa de sintética de pétreo, provavelmente, devido ao formato arredondado e textura lisa comum aos seixos-rolados. No próximo capítulo será apresentada a aplicação da metodologia de produção e emprego de agregado artificial de argila calcinada em pavimentação, proposta por CABRAL (2005), executando-se o primeiro trecho experimental no Brasil, com esta alternativa de material, compondo a fração graúda da mistura de pétreos de concreto asfáltico.

148

5

PISTA EXPERIMENTAL

5.1

Introdução O presente capítulo reporta a produção e o emprego em caráter experimental de

agregado artificial de argila calcinada em revestimento. Durante a presente pesquisa foi possível acompanhar a produção de pouco mais de 1.100 m3 desta alternativa de material pétreo. Em Santarém-PA, a empresa CIFRAMA LTDA produziu aproximadamente 1.000 m3 e coube a empresa Cerâmicas Marajós LTDA, instalada no município de Tanguá-RJ, cerca de 100 m3. O controle tecnológico do material produzido pela CIFRAMA LTDA foi realizado pelo 8° Batalhão de Engenharia de Construção, 8° B E Cnst, e o do material produzido pela Cerâmicas Marajó LTDA pelo Instituto Militar de Engenharia, IME. A apresentação do presente capítulo obedecerá à seqüência de fases sugerida pela metodologia para produção do agregado artificial de argila calcinada, CABRAL (2005), apresentada na FIG. 2.21. Alguns tópicos desta metodologia foram desdobrados para melhor apresentar todo o processo envolvido desde a extração da matéria-prima até o seu efetivo emprego em pavimentação como revestimento asfáltico. 5.2

1ª fase – ensaios: preliminares e complementares As massas cerâmicas, misturas de argilas para determinado emprego, foram

coletadas dos pátios de estocagem das empresas que apoiaram a presente pesquisa, FIG. 5.1, e os resultados desses ensaios foram apresentados no capítulo anterior.

149

FIG. 5.1 Pátio de estocagem de argilas da empresa Cerâmicas Marajó LTDA As características da massa cerâmica utilizada em Santarém-PA já haviam sido determinadas anteriormente em virtude da parceria entre o Instituto Militar de Engenharia e a empresa CIFRAMA LTDA, ao longo dos estudos anteriores sobre argila calcinada, culminando com o desenvolvimento da metodologia de produção do agregado artificial de argila calcinada. 5.3

2ª fase – determinação de modelo de produção A produção de agregado artificial de argila calcinada requer uma unidade

específica para sua produção ou olarias convencionais.

No

presente

item,

serão

expostas e comentadas todas as etapas que ocorrem quando se utiliza uma olaria como unidade produtiva. 5.3.1 Produção na olaria Durante o desenvolvimento do presente trabalho foi possível acompanhar com detalhes a produção de 6.000 blocos cerâmicos, 30 toneladas, na empresa Cerâmicas Marajó LTDA. O controle tecnológico de aceitação dos lotes produzidos exigiu os limites estipulados pela metodologia de produção desse agregado para os ensaios de abrasão Los Angeles, DNER-ME 222/94, e absorção, DNER-ME 081/98.

150

A FIG. 5.2 apresenta os blocos cerâmicos produzidos pelas empresas que apoiaram o estudo realizado.

(a) Cerâmicas Marajó / Tanguá-RJ

(b) CIFRAMA / Santarém-PA

FIG. 5.2 Blocos cerâmicos para produzir agregado artificial de argila calcinada O bloco cerâmico, idealizado para a produção do agregado artificial de argila calcinada pela empresa Cerâmicas Marajó LTDA, é composto por vinte barras prismáticas de seção hexagonal com 15,0 mm de lado e 20,0 cm de comprimento. O bloco produzido pela empresa CIFRAMA LTDA também é composto de barras prismáticas de seção hexagonal entretanto, em número de oito com 12,5 mm de lado e 23,0 cm de comprimento. O procedimento adotado para produzir os blocos cerâmicos especiais foi o mesmo empregado na produção de tijolo maciço ou de qualquer outro produto cerâmico extrusado de uma maromba industrial de olaria, exceto pela criteriosa escolha da matéria-prima, por meio de ensaios complexométricos, como a Microscopia Eletrônica de Varredura. A experiência dos ceramistas e a disponibilidade de matéria-prima também foram levadas em conta no momento da determinação da massa cerâmica adequada à produção desses agregados. A seguir, será apresentada uma seqüência de fotos do processamento da massa cerâmica pela empresa Cerâmicas Marajó LTDA, FIG. 5.3, para a produção dos agregados artificiais de argila calcinada empregados no traço de concreto asfáltico da pista experimental executada.

151

(a) Alimentação Silo principal

(b) Destoroador do silo principal

(c) Desintegração

(d) Silo dosador de pó-de-serra

(e) Laminação

(f) Saída do laminador

(g) Maromba e painel de controle

(h) Extrusão dos blocos

FIG. 5.3 Processamento de massa cerâmica em olaria Antes de iniciar a produção de blocos cerâmicos e em conformidade com o que sugere a metodologia de produção, é necessário determinar uma temperatura satisfatória de queima. A análise térmica indica as condições de queima ideal para obtenção de material cerâmico que atendaà determinada condição específica, nesse caso, emprego como agregado para pavimentação rodoviária.

152

Sugere-se, como alternativa à dificuldade de realizar ensaios complexométricos de maneira representativa da massa cerâmica, a adoção de ensaios, em nível dos usuais empregados em laboratório de campo em pavimentação, que avaliem a absorção e resistência mecânica dos agregados produzidos pois, atendidos estes critérios, provavelmente essa massa cerâmica será adequada para produzí-los. Portanto, indica-se o método de ensaio de absorção, DNER-ME 081/98, associado ao ensaio de abrasão Los Angeles, DNER-ME 222/94, como obrigatórios para aceitação de lotes produzidos de agregado artificial de argila calcinada. Como as condições de extrusão de uma massa cerâmica em maromba de laboratório não são as mesmas de uma olaria, recomenda-se a extrusão de um lote piloto, em torno de 50 peças, FIG. 5.4, para realização dos ensaios sugeridos anteriormente.

FIG. 5.4 Lote piloto extrusado para realização de ensaios complementares Os blocos extrusados são estocados e armazenados para cura. A cura pode ser ao ar livre ou forçada, túnel de secagem. A cura ao ar livre leva de 7 a 15 dias e depende das condições climáticas. Já a cura forçada, por utilizar túnel de secagem, acelera a produção pois esta se dá em até 24 horas. Na produção em Tanguá-RJ, a empresa Cerâmicas Marajó LTDA aproveitou o calor dos fornos, com queimadores em linha, para acelerar a cura dos blocos produzidos, FIG. 5.5.

153

(a) Posicionamento dos blocos

(b) Detalhe da arrumação dos blocos

FIG. 5.5 Cura com aproveitamento do calor dos fornos Após a cura, os blocos cerâmicos foram posicionados no forno em locais nos quais a temperatura fosse igual ou ligeiramente superior à temperatura definida como satisfatória para produção destes agregados. Na presente pesquisa foram avaliadas a colocação em dois tipos de fornos: com queimadores em linha ou queimadores em círculo. Nos fornos com queimadores em linha, FIG. 5.6(a), a chama incide diretamente sobre os blocos. Já nos fornos com queimadores em círculo, FIG. 5.6(b), a queima se dá por convecção, situação que se mostrou mais favorável, pois se observou que a diferença de temperaturas entre a parte superior e inferior é menor que a dos com queimadores em linha.

(b) Queimadores em círculo

(a) Queimadores em linha

FIG. 5.6 Exemplos de fornos em Olarias Além disso, o fato da chama incidir diretamente sobre os blocos nos fornos com queimadores em linha, FIG. 5.7, dificulta o controle da temperatura e a rampa de

154

aquecimento desse material, sugeridos pela análise térmica diferencial, necessários à obtenção de uma cerâmica com características tecnológicas ideais para o emprego como agregado em pavimentação.

(a) Blocos na posição “quebra-chamas”

(b) Detalhe da chama sobre os blocos

FIG. 5.7 Chama incidindo diretamente nos blocos cerâmicos A vantagem em se optar pela produção desse agregado em olarias deve-se ao fato dessa produção assemelhar-se ao usualmente praticado na produção do tijolo maciço. Outra vantagem é a redução do aporte de capital, pois a disponibilidade em quantidade satisfatória de jazidas de argila já propicia a instalação de pólos ceramistas que podem consociar a produção de agregados artificiais de argila calcinada à produção de cerâmicas convencionais, sem custo adicional significativo na queima. Os blocos produzidos e estocados nos pátio das olarias foram transportados para as unidades de britagem, FIG. 5.8.

FIG. 5.8 Transporte dos blocos para a unidade de britagem em Tanguá-RJ

155

5.3.2 Britagem A unidade de britagem construída em Santarém-PA, nas instalações do 8° B E Cnst, FIG. 5.9(a), foi projetada especificamente para os blocos cerâmicos de argila calcinada. Os blocos produzidos em Tanguá-RJ foram britados pela Mineradora Sartor, FIG. 5.9(b).

(a) 8° B E Cnst

(b) Mineradora Sartor

FIG. 5.9 Unidades de britagem empregadas Os bons resultados da britagem dos blocos cerâmicos produzidos em SantarémPA, para produção de agregado artificial de argila calcinada, eram esperados, uma vez que a unidade foi concebida especificamente para esse fim. Logo, optou-se por apresentar a operação de britagem realizada em unidade convencional, fato que também reduz o aporte de capital devido à utilização de unidades de britagem não específicas, fixas ou móveis, comuns no meio rodoviário. A unidade de britagem da Mineradora Sartor LTDA encontra-se , aproximadamente, a três quilômetros da empresa Cerâmicas Marajó LTDA, fato que muito facilitou o desenvolvimento da pesquisa. Esta unidade de britagem é basicamente composta por: - Britador primário; - Britador Secundário; - Central de controle e beneficiamento, composta por 3 peneiras de malha quadrada com as seguintes aberturas:

156

•

19,1 mm;

•

8,00 mm;e

•

2,00 mm.

- Rebritador para o material retido na peneira de 19,1 mm;e - Silo para pó com capacidade de 8,0 m3. O britador primário não foi utilizado uma vez que, as dimensões dos blocos produzidos dispensam essa primeira etapa que basicamente realiza a maroagem das rochas, redução de tamanho, para possível britagem no secundário. Originalmente, a unidade de britagem não possuía peneira de 2,00 mm. A sua aquisição foi realizada pelo projeto de pequisa do agregado artificial de argila calcinada do IME para garantir o melhor aproveitamento do material graúdo, material com diâmetro maior que 2,00 mm. A peneira adquirida é auto-limpante, característica que evita a sua obstrução e garante um melhor beneficiamento do material. Esta se encontra em posse da Mineradora Sartor para experimentos futuros. A seguir, encontra-se exposta uma seqüência de fotos, FIG. 5.10, da britagem realizada em Tanguá-RJ. A TAB. 5.1 apresenta os resultados em massa e volume da britagem dos blocos produzidos em olaria. TAB. 5.1 Agregado artificial de argila calcinada produzido em Tanguá-RJ

Material Argila Calcinada 1 19,1mm ≥ d > 8,0 mm Argila Calcinada 0 8,00 mm ≥ d > 2,0 mm Pó-de-Argila Calcinada d ≤ 2,00 mm Perdas

Massa (ton)

Volume (m3)

% em Volume

75,0

88,0

66,6

22,0

27,0

21,1

22,0

21,0

12,3

8,0

-

-

157

(a) Pesagem dos Caminhões – Tara

(b) Caminhões com blocos após pesagem

(c) Alimentação do britador primário

(d) Britador primário

(g) Central de Controle e Peneiramento

(h) Conjunto de Peneiras e Rebritador

(i) Rebritagem de material

(j) Material entre 19,1 mm e 8,00 mm

(k) Material entre 8,00 mm e 2,00 mm

(l) Silo de pó com capacidade de 8 m3

FIG. 5.10 Britagem dos blocos cerâmicos produzidos em Tanguá-RJ

158

As granulometrias obtidas com a Argila Calcinada 1 e 0 encontram-se apresentadas na TAB. 5.2. TAB. 5.2 Granulometria dos agregados produzidos em Tanguá-RJ

Peneira Argila calcinada 1 Argila calcinada 0

3/4’’ 100 100

1/2’’ 65 100

3/8’’ 23 100

% passante em peso N°4 N°10 N°40 3 3 2 68 11 4

N°80 2 3

N°200 2 2

As etapas de britagem, peneiramento, classificação, controle e expedição são complementares e independentes das anteriores, podendo inclusive, atender à várias olarias de determinada região carente em material pétreo natural que vislumbre sua utilização como agregado para construção rodoviária. 5.4

3ª fase – emprego pioneiro de argila calcinada em pavimentação: pista

experimental A fundação DER-RJ, ao identificar a importância do projeto argila calcinada para a engenharia rodoviária, apoiou o Instituto Militar de Engenharia por meio de seu Diretor de Obras Metropolitanas, Dr. Ângelo Monteiro Pinto, com o aval do Dr. Henrique Alberto Ribeiro, Presidente desta Fundação, no emprego pioneiro da argila calcinada em pavimentação. Por se tratar da primeira usinagem de massa asfáltica com esta alternativa em material pétreo, optou-se por uma estrada próxima à construtora R. C. Vieira Engenharia LTDA, de modo a facilitar todas as operações envolvidas na execução do trecho em concreto asfáltico programado. 5.4.1 Localização e caracterização da pista experimental Avaliar o comportamento de misturas asfálticas em serviço é de fundamental importância para a racionalização do emprego de novas alternativas em pétreos e cimentos asfálticos, modificados ou não.A pista experimental foi construída em São Gonçalo – RJ, estrada de Guaxindiba, FIG. 5.11.

159

(b) Estrada de Guaxindiba

(a) Imagem do local

FIG. 5.11 Imagem de satélite e foto do local escolhido para a pista experimental Fonte: Google Earth [capturado em 30 de novembro de 2007] Esta estrada é caracterizada por um pavimento constituído por três camadas e o subleito, conforme se verifica na FIG. 5.12(a), sobre a qual foi programada a execução de um reforço de concreto asfáltico com argila calcinada de 5,0 cm de espessura, FIG. 5.12(b).

(a) Seção do pavimento existente

(b) Seção final do pavimento

FIG. 5.12 Seção original e final do pavimento do trecho experimental A partir da definição do trecho experimental, avaliou-se a condição deste segmento selecionado, por meio de levantamentos funcionais e estruturais, de modo a verificar o nível de serviço que o pavimento existente apresentava. Com esse fim, foram realizadas avaliações funcionais por meio do Índice de Gravidade Global – IGG, procedimento que fixa as condições de avaliação da superfície de pavimentos mediante a contagem e classificação de ocorrências de defeitos e da medida de deformações permanentes nas trilhas de rodas,TAB. 5.3, e estrutural a partir de levantamento deflectométrico com viga Benkelman, FIG. 5.13.

160

TAB. 5.3 Limites do Índice de Gravidade Global Conceito

Limites de IGG

Bom

0 - 20

Regular

20 - 80

Mau

80 - 150

Péssimo

> 150

Fonte: PINTO e PREUSSLER(2002)

(a) Avaliação estrutural

(b) Viga Benkelman

FIG. 5.13 Viga Benkelman usada na avaliação estrutural do pavimento original Os resultados deste levantamento encontram-se apresentados na FIG. 5.14. Deflexão - Viga Benkelman

Deflexão (0,01 mm)

52 45 38

µ D = 39,0x10-2 mm Dc= µ D + SD= 44,8 x10-2 mm IGG = 10

31 24 13

14

15

16

17

18

19

Estaca

FIG. 5.14 Resultado do levantamento deflectométrico

161

20

21

5.4.2

Produção de mistura asfáltica em usina de asfalto As usinas de asfalto normalmente são de dois tipos: batelada ou gravimétrica,

FIG. 5.15(a), que produz em quantidades unitárias de misturas asfálticas, e a usina de produção contínua ou “drum-mixer”, FIG. 5.15(b), que produz continuamente as misturas asfálticas.

(b) Contínua ou “Drum-mixer”

(a) Batelada ou Gravimétrica

FIG. 5.15 Exemplos de usinas de asfalto Basicamente, as usinas de asfalto são um conjunto de equipamentos mecânicos e eletrônicos interconectados que realizam a mistura de frações de agregados, aquecimento destes e do ligante asfáltico em temperaturas determinadas em projeto e a produção de massa asfáltica em batelada ou continuamente, de acordo com o tipo de usina empregada, pela mistura e homogeneização entre as frações de agregados e o ligante utilizado. A R.C.Vieira Engenharia LTDA utilizou uma usina CIBER de fluxo contínuo com produção máxima horária de 60 toneladas. A seguir serão apresentadas as etapas envolvidas na produção da mistura asfáltica do traço experimental indicado para o presente estudo. 5.4.2.1 Estocagem e manuseio de materiais empregados em misturas asfálticas Os agregados artificiais de argila calcinada foram manuseados e estocados de maneira a evitar a sua contaminação e minimizar sua degradação e segregação (FIG. 5.19(a)). A limpeza da área de estocagem para receber o agregado previne a sua contaminação e a boa drenagem do local reduz a umidade desses materiais. 162

O ligante asfáltico empregado, CAP 30/45, foi mantido em quantidade suficiente para manter a operação da usina. O ligante asfáltico deve ser mantido fluido o suficiente, seja por aquecimento elétrico ou óleo térmico, para que escoe através dos dutos da usina de asfalto e venha a ser utilizado na operação de usinagem, FIG. 5.16.

(a) Argila calcinada

(b) Pó-de-pedra

(c) Tanque de estocagem de ligante FIG. 5.16 Estocagem dos materiais que comporam a mistura asfáltica produzida O aquecimento do ligante requer atenção especial pois, quando superaquecido, sofre degradação térmica, modificando as suas principais características. 5.4.2.2 Proporcionamento e alimentação do agregado frio no secador O sistema de silos frios é um dos principais componentes de uma usina asfáltica. Ele recebe os agregados frios, proporciona as diferentes frações granulométricas e conduz os agregados para o secador. Normalmente, são compostos por pelo menos quatro silos, carregados individualmente com frações de agregados provenientes da zona de estocagem.

163

A usina de asfalto da empresa que produziu a massa asfáltica com argila calcinada possui quatro silos, os quais foram preenchidos com: - Argila calcinada com dmáx=19,0 mm e dmín=8,00 mm; - Argila calcinada com dmáx= 8,00 mm e dmín=2,00 mm; - Pó-de-pedra como agregado miúdo;e - Cal hidratada como material de enchimento. Os silos foram carregados individualmente e tomou-se o devido cuidado para não misturar as diferentes frações granulométricas, instalando divisores verticais nos limites entre os silos e evitando o sobrecarregamento destes, FIG. 5.17.

(a) Alimentação dos silos

(b) Silos com materiais graúdos e miúdos

(c) Silo com o material de enchimento FIG. 5.17 Alimentação dos silos de agregados frios

164

5.4.2.3 Secagem e aquecimento eficiente do agregado Os agregados devidamente proporcionados provenientes dos silos frios seguem para o tambor secador, FIG. 5.18, onde são secos e aquecidos à temperatura adequada.

FIG. 5.18 Esteira condutora de agregado para o tambor secador O secador, FIG. 5.19, é um cilindro rotatório com diâmetro e comprimento que varia de acordo com a capacidade da usina. Em uma das extremidades do secador existe um sistema de queima que pode ser a óleo ou gás e na outra extremidade um ventilador de exaustão.

FIG. 5.19 Detalhe da saída do secador de contrafluxo A usina empregada possui secador de fluxo paralelo, FIG. 5.20(a), entretanto, existem também as de contrafluxo, FIG. 5.20(b). Nos secadores de fluxo paralelo, o

165

agregado, introduzido frio em seu interior, e o fluxo de ar aquecido fluem no mesmo sentido. Já nos secadores de contrafluxo eles fluem em sentidos opostos.

(a) Fluxo paralelo

(b) Contrafluxo

FIG. 5.20 Tipos de secadores de usinas de asfalto Fonte: ASPHALT INSTITUTE, 1998 5.4.2.4 Controle e coleta de pó O ar que flui através do secador carrega com ele gases de exaustão e pequena quantidade de partículas de pó do agregado que são recolhidas para minimizar o impacto ambiental das emissões atmosféricas provenientes do sistema de exaustão. A usina utilizada é composta por coletores primários e secundários. O coletor primário recolhe as partículas maiores de pó contidas nos gases de exaustão e o secundário filtra e recolhe as partículas de pó mais fina, FIG. 5.21.

Exaustão

Filtro de Mangas

Cones múltiplos

FIG. 5.21 Sistema coletor de pó da usina empregada no presente estudo Normalmente, estes sistemas são instalados no final do secador e filtram o ar que entra no queimador e o que sai do sistema no sistema de exaustão. Os coletores 166

primários usuais são a caixa de queda e o tipo ciclone, e os secundários são o filtro de mangas e o de coleta úmida. 5.4.2.5 Proporcionamento, alimentação e mistura do ligante asfáltico com o agregado aquecido O processo de mistura do ligante asfáltico com o agregado varia de acordo com o tipo de usina de asfalto utilizada. Na execução do segmento experimental utilizou-se uma usina de fluxo contínuo na qual o ligante asfáltico é misturado com o agregado no próprio tambor secador, após a secagem e aquecimento do agregado, num processo contínuo. O agregado ao adentrar o tambor secador passa primeiro pela zona primária onde será seco e aquecido pelo calor produzido pelo queimador, depois segue para uma zona secundária onde recebe o ligante asfáltico que é misturado vigorosamente aos agregados já aquecidos. Durante o processo de fluxo contínuo de produção de mistura asfáltica, o controle efetivo da temperatura de seus componentes é fundamental para o desempenho em serviço da mistura produzida. A massa asfáltica com agregado de argila calcinada possui densidade muito inferior às usualmente produzidas com agregados convencionais. Ao se utilizar estes agregados ou outros, que proporcionem densidades menores que as das massas asfálticas usualmente produzidas, deve se ajustar esta produção, observando-se a relação entre estas densidades. No início da usinagem do concreto asfáltico com argila calcinada ocorreu o entupimento na saída do secador e do elevador, esteira que conduz a massa betuminosa produzida ao silo de estocagem e controle, FIG. 5.22.

167

(a) Desentupimento do elevador

(b) Desentupimento da saída do secador

(c) Esvaziamento do silo de estocagem e controle de produção FIG. 5.22 Entupimento da usina de asfalto de fluxo contínuo Este incidente foi sanado diminuindo-se a produção horária da usina por meio da equação EQ. 5.1 proposta.

d P =P ⋅ a ⋅Φ a máx d u

EQ 5.1

Onde: Pa - Produção adotada em usina de asfalto de fluxo contínuo, ton/h; Pmáx - Produção máxima da usina de asfalto de fluxo contínuo, ton/h; du - Densidade da massa asfáltica usualmente produzida pela usina; da - Densidade da massa asfáltica com agregado alternativo;

Φ – Coeficiente de segurança, sugere-se Φ=0,85. A partir deste ajuste, foi possível produzir massas betuminosas de modo contínuo atingindo assim um dos principais objetivos da pesquisa sobre o emprego de argilas calcinadas em massas asfálticas no canteiro de obras. 168

Outra possível solução, que requer a intervenção das empresas que produzem usinas de asfalto de fluxo contínuo, é o aumento da área da seção transversal da calha condutora de massa betuminosa do elevador. Assim, seria possível manter as produções máximas nominais, destas usinas, com tais materiais. 5.4.2.6 Estocagem e controle das misturas asfálticas produzidas A maioria das usinas asfálticas contínuas é equipada com silos de estocagem e controle de produção das misturas asfálticas. Um sistema de pesagem normalmente é conectado aos silos para o controle da quantidade produzida e carregada pelos caminhões transportadores. Entretanto, ainda convém utilizar a balança para aferição desse sistema. A usina de asfalto empregada, por meio de seu sistema computadorizado, FIG. 5.23, possibilitou o controle em tempo real das características da massa asfáltica produzida. Optou-se por empregar 10,5 % de ligante asfáltico, CAP 30/45, durante a execução do segmento experimental, afim de evitar possíveis absorção de ligante ou escorrimento por parte desta nova alternativa em pétreo sintético.

(a) Central de controle da usina

(b) Sistema computadorizado de controle

FIG. 5.23 Sistema computadorizado de controle de massa asfáltica produzida Com isso, foi possível garantir que o traço experimental de concreto asfáltico produzido obedeceu às tolerâncias de projeto, determinadas em laboratório, para o segmento experimental construído.

169

5.4.3

Construção do segmeto experimental No dia 06 de dezembro de 2007, iniciaram-se os serviços para construção do

segmento experimental. Inicialmente, foi executa a limpeza e pintura de ligação (emulsão RR-1C) do revestimento existente, FIG. 5.24.

(a) Limpeza do pavimento

(b) Pintura de ligação

FIG. 5.24 Pintura de ligação com RR-1C A pintura de ligação consiste na aplicação de emulsão asfáltica com a finalidade de promover a aderência entre a camada pintada e a sobreposta.Esse serviço não deve ser realizado em dias de chuva, sem a limpeza da superfície a ser pintada e com a temperatura ambiente inferior a 10° C. A taxa recomendada de ligante betuminoso residual é de 0,3 l/m2 a 0,4 l/m2 de emulsão asfáltica de maneira uniforme. As características da emulsão asfáltica empregada, RR-1C, obedeceram aos limites exigidos pelas normas que regulam o seu emprego em pavimentação no Brasil, TAB. 5.4. TAB. 5.4 Características da emulsão RR-1C empregada

Ensaio

Descrição

Limites

RR-1C

DNER ME 004/94

Viscosidade “ Saybolt-Furol” a 50° C (ssf)

20 a 90

67

DNER ME 005/94

Peneiramento, % máxima retida, em peso

0,1

0,08

DNER ME 006/94

Sedimentação, % peso máximo

5

4,5

170

Optou-se por um traço experimental do agregado de argila calcinada com materiais normalmente utilizados pela empresa que apoiou os estudos, sendo esses: póde-pedra como fração miúda, cal hidratada como material de enchimento e CAP 30/45 como ligante, caracterizados no capítulo anterior. A construção do trecho experimental teve como objetivo principal avaliar o comportamento de massa asfáltica constituída por agregado artificial de argila calcinada em sua fração graúda de mistura de pétreos durante a usinagem, o transporte, o espalhamento e a compactação. Para tal, foi programada a execução de 5,0 cm de concreto asfáltico sobrejacente ao revestimento existente com este material. Inicialmente, seriam três os segmentos experimentais construídos na estrada de Guaxindiba, São Gonçalo-RJ. Entretanto, optou-se, em virtude dos objetivos a serem atingidos com a pista experimental e dos resultados obtidos em laboratório, pela execução de um segmento experimental de aproximadamente 100,0 m de comprimento e 7,00 m de plataforma, com traço experimental elaborado com pó-de-pedra como agregado miúdo, e cal hidratada como material de enchimento, apresentado no item 4.6. O enquadramento da mistura de materiais pétreos na faixa B, DNER-ES 313/97, possibilitou um maior aproveitamento do material, devido a granulometria e as proporções de material com diâmetro entre 19,0 mm e 8,0 mm, Argila Calcinada 1, e 8,0 mm e 2,0 mm,Argila Calcinada 0, produzidos durante a operação britagem. Definida em laboratório as características da mistura asfáltica a ser empregada no segmento experimental, programou-se a usina de fluxo contínuo para produzí-la com acréscimo de 0,5% de ligante asfáltico, afim de evitar qualquer possível problema que pudesse ocorrer com a interação ligante-agregado, face à absorção e heterogeniedade da argila calcinada. Usinou-se , aproximadamente, 42,0 toneladas de mistura asfáltica a qual foi transportada por caminhões com báscula traseira e lançado com vibro-acabadora, FIG. 5.25, no local definido para o experimento.

171

(a) Carregamento do caminhão

(b) Lançamento da mistura asfáltica

FIG. 5.25 Carregamento e lançamento da mistura asfáltica Apesar de constatado o escorrimento em laboratório do ligante, durante a realização do ensaio de condicionamento de mistura asfáltica por 2 horas em estufa, FIG. 5.26(a), o mesmo não se observou durante a usinagem e transporte desta, 5.26(b).

(a) Condicionamento em estufa – 2 horas

(b) material na báscula do caminhão

FIG. 5.26 Comportamento da massa asfáltica no laboratório e no campo 5.4.3.3 Lançamento e compactação da mistura ásfaltica A mistura asfáltica foi lançada em camada uniforme de 6,0 cm e com seção transversal da faixa de 3,50 m, FIG. 5.27.

172

(a) Lançamento da 1ª faixa

(b) Entrada do rolo de pneus na 1ª faixa

(c) Lançamento da 2ª faixa

(d) Revestimento concluído

FIG. 5.27 Etapas envolvidas na construção do segmento experimental A mistura asfáltica produzida com agregado artificial de argila calcinada foi compactada à temperatura de 155° C ± 5° C. Compactações a temperaturas elevadas tendem a fazer com que a mistura asfáltica

flua e deforme-se devido à maior

lubrificação e menor ligação exercida pelo ligante asfáltico aquecido em excesso. Em contrapartida, se a temperatura for muito baixa, o ligante asfáltico torna-se mais plástico, dificultando a compressão da mistura e a obtenção de um estado mais denso. Na rolagem de compactação foi utilizado o rolo de pneus, FIG. 5.28, afim de alcançar a densidade de projeto e suavidade superficial exigída para camada de rolamento. A fase de acabamento, normalmente, exige um rolo tandem liso.

173

FIG. 5.28 Rolagem de compactação com rolo de pneus Entretando, apesar do rolo tandem liso, FIG. 5.29(a), ser o mais indicado para a fase de acabamento, abortou-se o seu emprego, pois o mesmo estava descobrindo alguns agregados de argila da superfície de rolamento, FIG. 5.29(b). Com isso, utilizou-se o rolo de pneus na fase de acabamento tamém

(a) Rolo tandem liso

(b) Revestimento após acabamento

FIG. 5.29 Rolagem de acabamento com rolo tandem liso O emprego de rolo de pneus, na fase de acabamento, requer um operador experiente para que não sejam deixadas marcas na superfície de rolamento. O bom acabamento de um revestimento asfáltico garante segurança e conforto ao usuário da rodovia.

174

5.5

Ensaios para avaliação do desempenho do segmento experimental O grau de compactação (GC), razão entre as massas específicas aparentes da

mistura asfáltica compactada e o traço experimental definido para a pista experimental, foi determinado pela extração de 03 corpos-de-prova da camada compactada, FIG. 5.30.

(a) Extração com sonda rotativa

(b) Perfil dos corpos-de-prova extraídos

FIG. 5.30 Extração de corpo-de-prova da estrada de Guaxindida (São Gonçalo-RJ) Separando-se os perfis de revestimento, obteve-se um grau de compactação médio do concreto asfáltico com argila calcinada de 100,2 %, dentro do limite aceitável de variação em relação à densidade de projeto, compreendido entre 97% e 101%, TAB. 5.5. O número do corpo-de-prova refere-se à estaca do segmento do qual este foi retirado, sendo (A) o perfil com agregado de argila calcinada e (B) o perfil original deste segmento construído. TAB. 5.5 Grau de compactação do concreto asfáltico executado Corpo-de-prova CP 16A CP 17A CP 19A

dprojeto 1,964

din situ 1,957 1,964 1,984

GC(%) 99,6 100,0 101,0

µ (%) s (%) CV

100,2 0,72 0,007

Com estes corpos-de-prova extraídos, foram realizados ainda ensaios de módulo de resiliência e resistência à tração após ensaio de módulo. A TAB. 5.6 apresenta a média destes resultados.

175

TAB. 5.6 Resultados de Módulo de Resiliência e Resistência à Tração Corpo-de-prova CP 16A CP 17A CP 19A CP 16B CP 17B CP 19B

Módulo de Resiliência (MPa) Projeto in situ 3705 2887 3273 3321 8290 8071 9018

Resistência à Tração (MPa) Projeto in situ 0,85 0,95 0,85 0,88 1,41 1,44 1,07

Os resultados de módulo de resiliência do concreto asfáltico com argila calcinada obtidos em campo foram, em média, aproximadamente 16,0 % superiores aos obtidos em laboratório, provavelmente em função da melhor homogeneização da massa betuminosa proporcionada pelo emprego de usina de asfalto e vibroacabadora. Os elevados resultados de módulo de resiliência do concreto asfáltico do revestimento antigo, perfil B, possivelmente retratam o enrijecimento deste pelo envelhecimento do cimento asfáltico de petróleo ao longo de sua vida em serviço, aproximadamente 8 anos. TONIAL (2001) cita que o envelhecimento de um cimento asfáltico de petróleo pode ser definido como o processo pelo qual as características químicas e reológicas do ligante se modificam, resultando em um aumento de sua consistência. NEVES FILHO (2006) constatou, em seus experimentos para avaliação da adição de dopes no comportamento de misturas asfálticas a quente, um aumento nos resultados de módulo de resiliência após condicionamento severo - AASHTO T-283, situação que apresenta maior índice de envelhecimento do cimento asfáltico de petróleo. Após 30 dias da construção do segmento experimental, foi realizada uma nova avaliação estrutural com viga Benkelman, a qual foi comparada com a anteriormente obtida, FIG. 5.31.

176

Deflexão - Viga Benkelman

Deflexão (0,01 mm)

52 45 38 31 24 13

14

15

16

17

18

19

20

21

Estaca Antes

30 dias

(a) Deflexão antes e após 30 dias da execução do concreto asfáltico com argila calcinada Deformada - Viga Benkelman 0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

0 -5 -10

Deflexão (0,01mm)

-15 -20

Antes 30 dias

-25 -30 -35 -40 -45 -50

Posição do eixo de avaliação (cm)

(b) Deformadas antes e após 30 dias no ponto 20 FIG. 5.31 Avaliação estrutural do segmento experimental construído Observando-se os valores obtidos, neste primeiro levantamento estrutural realizado após a construção do segmento experimental, constatou-se a que média das novas deflexões obtidas foi praticamente a mesma do pavimento original.

177

Analisando a deformada obtida na estaca 20, o novo raio de curvatura passou de 223,2 m para 297,6 m caracterizando assim, segundo o critério de análise simplificada com base no produto Raio de curvatura – Deflexão máxima (Rd0), aumento da robustez do pavimento. Ainda com relação ao experimento, foram instalados pelo DER-RJ, equipamentos e sensores, FIG. 5.32, para realizar a contagem e pesagem das cargas que solicitarão este pavimento durante a sua vida em serviço. Estes dados fomentarão estudos futuros que possivelmente contribuirão para o melhor entendimento do comportamento funcional e estrutural do segmento construído.

(a) Sensores Instalados

(b) Croqui da instalação

FIG. 5.32 Instrumentação do segmento experimental com sensores de pista piezoelétricos e loops Encontra-se, no anexo da presente dissertação, o primeiro relatório emitido por este levantamento quantitativo e qualitativo do tráfego a que este segmento experimental será submetido. As fotos a seguir, FIG.5.33, mostram os dois tipos de serviços executados de forma pioneira no Brasil e provavelmente na América Latina, com esta alternativa de material pétreo sintético de argila em pavimentação.

178

(a) Concreto Asfáltico

(b) Micro-revestimento

FIG. 5.33 Pistas Experimentais com uso de argila calcinada No próximo capítulo, estruturas de pavimentos constituídas por argila calcinada, teóricas e reais, serão analisadas empregando-se o modelo teórico de Hogg e o programa FEPAVE2.

179

6

AVALIAÇÃO DE ESTRUTURAS DO PAVIMENTO COM AGREGADO

ARTIFICIAL DE ARGILA CALCINADA 6.1

Introdução Os resultados apresentados no capítulo anterior permitem uma análise

tradicional e moderna, à luz da mecânica dos pavimentos, de estruturas viárias. Com base nesses resultados, estas estruturas, compostas por camadas contendo argila calcinada, serão dimensionadas, analisadas e comparadas a estruturas equivalentes, empregando-se o produto Rd0, Raio de Curvatura e deflexão Benkelman entre as rodas de um caminhão de prova, no corrente capítulo. 6.2

Dimensionamento de estrutura com argila calcinada pelo método do dner e

análise mecanística Considerando os resultados de ISC obtidos com o solo A (reforço do subleito) e com as mistura solo-agregados, 50% de solo A e 50% de AAAC (base) e 70% de solo A e 30% de AAAC (sub-base), dimensionou-se uma estrutura segundo o método do DNER. A estrutura de pavimento obtida, considerando o número N = 7,5x106, e os resultados apresentados no capítulo 4, encontram-se na TAB. 6.1. TAB. 6.1 Resultados do dimensionamento e estrutura de pavimento obtida Camada Hm Hn H20 R B h20

Espessura (cm) ≥63,63 ≥42,04 ≥27,77 7,5 20,0 20,0

hn

10,0

Estrutura dimensionada pelo método do DNER

O emprego de um método mecanístico de dimensionamento possibilita considerar diversos fatores de predição de degradação de uma estrutura viária como:

180

fadiga das camadas de maior rigidez, afundamento de trilha de roda e ruptura plástica (MEDINA e MOTTA, 2005). O dimensionamento mecanístico inicia-se por uma estrutura com espessuras definidas sob a qual são calculados os estados de tensões e as deformações.O conhecimento do tráfego por pesagens sistemáticas permite que o método mecanístico trate com maior racionalidade os efeitos das mais variadas cargas por eixo, e não considera mais o número de repetições do eixo-padrão, N, cujo poder de degradação de um pavimento foi avaliado em pistas experimentais americanas. MOTTA (1991) apresenta um fluxograma bastante genérico, FIG. 6.1, que representa um processo de dimensionamento para qualquer tipo de pavimento:concreto asfáltico ou concreto de cimento Portland.

FIG. 6.1 Fluxograma para o dimensionamento de pavimentos Fonte: MOTTA, 1991

181

A etapa do fluxograma relativa aos cálculos das tensões refere-se às provenientes da ação do tráfego. Os métodos de cálculo consideram dois tipos de comportamento tensão-deformação: elástico-linear e elástico-não linear. Os principais programas computacionais utilizados no Brasil para pavimentos asfálticos são o ELSYM5 (Elastic Layer System), elástico linear, e o FEPAVE2, elástico-não linear (ÁVILA, 2008). O emprego de determinado programa deve ser feito de acordo com o comportamento tensão-deformação medido dos materiais que comporão a estrutura a ser dimensionada. A COPPE/UFRJ tem-se utilizado do programa FEPAVE2 no dimensionamento de pavimento uma vez que a maioria dos materiais de pavimentação, segundo MEDINA e MOTTA(2005), apresenta comportamento não linear nos ensaios realizados. A FIG. 6.2 apresenta a tela de entrada de dados do programa FEPAVE2 e o resumo dos resultados obtidos com a avaliação, à luz da mecânica dos pavimentos, da estrutura existente dimensionada pelo método do DNER.

FIG. 6.2 Tela de entrada de dados com resumo dos resultados do FEPAVE2 Considerando a diferença de tensões, ∆σ, sugeridas em estudos realizados por PINTO (2001) para diferentes Cimentos Asfálticos de Petróleo – CAP, adotou-se a obtida para o CAP 30/45, TAB. 6.2, por se tratar do mesmo tipo empregado na realização do concreto asfáltico da pista experimental.

182

TAB. 6.2 Vida de fadiga (N) de amostras de CAP em função da diferença de tensões (∆σ) AM CAP

K

n

Considerando:

1

50/60 1200

2,77

- N=7,5.106

2

50/60 2100

2,86

- CAP 30/45

3

30/45 6000

2,65

- FCL = 104

4

20/45 56000 2,88

N = K (∆σ ) − n

5

55

3800

2,32

7,5.10 2 = 6.000(∆σ ) −2,65

6

20

1400

2,61 Obtém-se (∆σ)adm = 2,1917 MPa 21,917 kgf/cm2

N = K (∆σ ) − n

Fonte: Adaptado de PINTO (2001) Da FIG. 6.2, observa-se que as diferenças de tensões no revestimento, ∆σ = 1,22 MPa é menor que à admissível, (∆σ)

adm

= 2,19 MPa. Logo, a estrutura atende essa

exigência podendo inclusive ser redimensionada até que se obtenha uma solução estrutural mais econômica. Nesse tipo de dimensionamento, atenção especial deve ser dada ao empregar-se um programa de análise de estrutura de pavimento, pois a modelagem, independente de sua simplicidade de aplicação em comparação à de um outro programa, obrigatoriamente deve representar o comportamento dos materiais empregados. As metodologias de avaliação de estruturas de pavimento se valem de modelos teóricos simplificados que representam o seu funcionamento em serviço. Logo, o modelo de Hogg foi empregado na avaliação estrutural do segmento experimental e de estruturas teóricas constituídas por argila calcinada. Este modelo, editado no Manual de Restauração de Pavimentos Asfálticos do DNIT/2006, permite vislumbrar outras metodologias, diferentes das tradicionalmente utilizadas no meio acadêmico, na avaliação de perfis de pavimentos asfálticos. 6.3

Modelo de Hogg A mais de 70 anos, modelos teóricos de pavimentos flexíveis são objetos de

estudos. O estudo de D. M. BURMISTER (1943) é considerado um marco nesse processo pois neste estudo foram apresentados modelos elásticos teóricos para 183

revestimentos,com base na teoria de BOUSSINESQ, 1885 (HOFFMAN e AGUILA, 1985). No processo de pesquisa, em busca de outros modelos teóricos, A.H.A. HOGG apresentou em 1944 uma solução matemática, conhecida na comunidade científica internacional como modelo de HOGG. Este modelo é baseado em um sistema hipotético de duas camadas, consistindo de uma placa relativamente fina sobre uma fundação elástica. O pavimento original é representado por um equivalente, composto por uma placa delgada com certa rigidez à flexão e horizontalmente infinita, sustentada por uma capa elástica, linear, homogênea e isotrópica de espessura infinita ou limitada por uma base rígida e perfeitamente rugosa, FIG. 6.4.

FIG. 6.3 Representação esquemática do modelo de Hogg Fonte: HOFFMAN e AGUILA, 1985 Complementando a ilustração, FIG. 6.4, estes autores apresentam em seus trabalhos uma tabela, TAB 6.3, com os parâmetros básicos considerados em suas avaliações empregando este modelo elástico simplificado de duas camadas.

184

Parâmetros básicos para avaliação e emprego do modelo de HOGG

TAB. 6.3 Parâmetros básicos do modelo de Hogg E1 .t 3 D= 12.(1 − µ12 )

D – Rigidez à flexão da placa (t – espessura da placa, metros)

 D.(1 + µ ).(3 − 4 µ ) 13 0 0 l0 =   2.(1 − µ 0 ).E 0 

   

l0 – Rigidez Longitudinal característica da Placa (l0 – cm, centímetros)

E0 (kg/cm2)

Módulo de elasticidade do subleito

µ 0 (Adimensional)

Coeficiente de Poisson do subleito

H (cm)

Espessura da camada sobreposta à base rígida

lo, E0, D

Obtidos por retroanálise (Deflexão Benkelman) Fonte: HOFFMAN e AGUILA, 1985

As Deflexões provenientes deste modelo são dadas pela integral infinita da função de Bessel e de funções angulares hiperbólicas, as quais, para o caso de uma carga circular uniformemente distribuída de raio “a” tem a seguinte forma, EQ. 6.1.

EQ. 6.1

Onde

µ 0,

E0, p, l0 estão definidos na FIG. 6.1 e TAB. 6.7, “r” é a distância

horizontal na superfície da placa a partir do centro de aplicação da carga e “Φ” dado pela expressão, EQ. 6.2, sendo “m” a variável de integração.

EQ. 6.2

Em 1977, com a facilidade de se implementar rotinas computadorizadas para solucionar estas equações rapidamente, foram geradas com base nos resultados obtidos, tabelas e nanogramas para o cálculo de deformações teóricas em qualquer ponto da

185

superfície de um sistema elástico simplificado, proposto por Hogg (HOFFMAN e AGUILA, 1985). Atualmente, alguns modelos simplificados vêm sendo empregados por diversos países através de seus centros de pesquisas e órgãos rodoviários, com o objetivo de dar respostas sobre a estrutura do pavimento com rapidez e eficiência. A FHWA – Federal Highway Administration considera o método de Hogg, para avaliação de desempenho e aplicações em projetos, conservador, entretanto bastante adequado as práticas rodoviárias. Empregado por este órgão rodoviário nos últimos 15 anos, mostrou-se um modelo bastante estável, em diversos tipos de pavimentos e locais, obtendo-se uma alta correlação com os valores de módulo de resiliência do subleito e uma baixa correlação e muito rigoroso com os valores de módulo de resiliência das demais camadas, obtidos nas retroanálises de estruturas avaliadas neste período por aquele órgão. Segundo este órgão rodoviário norte americano, o modelo de Hogg é eficaz, prático e extremamente fácil de empregar, quando comparado aos outros modelos, tornando-o um dos métodos recomendados pela FHWA para o cálculo do módulo de subleito e para avaliação e dimensionamento de estruturas de pavimento rodoviário. O DNIT – Departamento Nacional de Infra-estrutura e Transporte – apresenta em seu Manual de Restauração de Pavimentos Asfálticos um método, com base no modelo de Hogg, denominado de produto R.d0, empregado na retroanálise simplificada das medidas de deflexão em pavimentos flexíveis e semi-rígidos. 6.4

Emprego do produto r.d0 em retroanálise simplificada com base no modelo de

Hogg Feitas as considerações sobre o modelo de Hogg, será apresentado um método de retroanálise simplificado, apoiado na determinação do Raio de Curvatura, R, EQ. 6.4, e no produto R.d0.

R=

6.250 2(d 0 − d 25 )

EQ. 6.4

Onde:

186

R – Raio de curvatura em metros, m; d0 – Deflexão com viga Benkelman em 0,01 mm medida na vertical do eixo traseiro entre as rodas duplas do caminhão de prova;e d25 – Deflexão com viga Benkelman em 0,01 mm medida na vertical do eixo traseiro a 25 cm das rodas duplas do caminhão de prova. O Raio de Curvatura, R, é obtido facilmente por duas medidas de deflexão de acordo com o método DNER-ME 024/94 e permite determinar pavimentos equivalentes ao pavimento real, FIG. 6.4, ou seja, pavimentos que apresentam a mesma bacia de deformação que o pavimento real.

FIG. 6.4 Exemplos de pavimentos equivalentes Fonte: Manual de Restauração de Pavimentos Asfálticos, 2006 FABRÍCIO e FABRÍCIO (2003) citam que, se empregando esta retroanálise simplificada em problemas correntes de avaliação estrutural e dimensionamento de pavimentos, flexível e semi-rígido, obtém-se bons resultados, os quais podem ser

187

verificados com programas de avaliação estrutural de pavimentos, à luz da mecânica dos pavimentos, como ELSYM5 ou FEPAVE2. Essa simplificação utiliza um Modelo Elástico de 2 camadas, modelo de Hogg, para resolução de problemas de retroanálise de Bacias de Deflexão. A grande vantagem da retroanálise simplificada deve-se ao fato de exigir apenas duas medidas de deflexão em campo, d0 e d25. Entretanto, além dessas medidas de campo, é necessário estabelecer relações entre o produto R.d0 da estrutura original com uma estrutura equivalente, mais simples, composta apenas por duas camadas. Adota-se, neste modelo elástico simplificado da estrutura original, um coeficiente de Poisson igual para as duas camadas, µ=0,4 e uma espessura total sobre camada rígida infinita de onze vezes a espessura da camada equivalente, distribuída conforme FIG. 6.5.

FIG. 6.5 Pavimento equivalente segundo o modelo de Hogg Fonte: Manual de Restauração de Pavimentos Asfálticos, 2006 A formulação adotada para obtenção desses parâmetros, citadas por FABRÍCIO et al. (1994), são função do produto R.do, equações EQ. 6.5 a EQ. 6.8, e foram estabelecidas a partir de bacias de deformação calculadas e retroanalisadas em inúmeras rodovias como as BR-101/RJ, trecho Angra dos Reis – Parati, e BR-290/RS, trecho Porto Alegre – Eldorado.

log E SL =

16,280 − (log R.d 0 + 2,639 log d 0 ) 2.708

188

EQ. 6.5

H EQ =

( R.d 0 + 5.163) 685

EQ. 6.6

EQ. 6.7

E EQ = 6,18.E SL

ISC =

E SL 70

EQ. 6.8

Onde: HEQ - Espessura do pavimento equivalente em cm; EEQ - Módulo de deformação do pavimento equivalente, em kgf/cm2; ESL - Módulo de deformação do subleito, em kgf/cm2;e ISC – Índice de Suporte Califórnia, em %. Sabe-se ainda que é possível utilizar, com base em levantamentos deflectométricos, com viga Benkelman ou FWD, correlações com as deflexões medidas em outros pontos em relação ao centro das rodas duplas do caminhão de prova. PINTO (2007) propôs algumas correlações obtidas com deflexões com viga Benkelman, EQ. 6.9 e EQ. 6.10.

( )

( )

( )

( )

2 3 4 d d d d H EQ = 15, 409 + 123,572. 60 d + 823,149. 60 d − 1493,36. 60 d + 959,866. 60 d 0 0 0 0

E SL .d 0 = 71,560 − 1,824 .H EQ + 0,199 .10

2 3 −1 −5 .H EQ − 7 ,844 .10 .H EQ

EQ. 6.9

EQ. 6.10

Onde: d60 – Deflexão com viga Benkelman em cm medida na vertical do eixo traseiro a 60 cm das rodas duplas do caminhão de prova.

189

As equações apresentadas por FABRÍCIO e FABRÍCIO (2003), encontram-se no Manual de Restauração de Pavimentos Asfálticos – DNIT, 2006, assim como o ábaco auxiliar de cálculo dos parâmetros do pavimento equivalente, FIG. 6.6.

FIG. 6.6 Ábaco para avaliação estrutural de pavimentos flexíveis pelo produto Rd0 Fonte: Manual de Restauração de Pavimentos Asfálticos, 2006 O método de retroanálise simplificado apoiado na determinação do raio de curvatura R e no produto Rd0, tem sido usado na resolução de problemas correntes de avaliação estrutural e projetos de pavimentos flexíveis e semi-rígidos com bons resultados. As determinações dos parâmetros do pavimento equivalente ao pavimento real são extremamente simples e podem ser usadas na obtenção do SN – número estrutural e 190

do SNC – número estrutural corrigido do pavimento equivalente ao pavimento real para o emprego das equações de desempenho do Método DNER-PRO-159/85, de acordo com as seguintes equações, EQ. 6.11 e EQ. 6.12:

  −8,40.10−5.E EQ   SN = H EQ 0,181.(1 − e )    

EQ. 6.11

SNC = SN + 3,51. log ISC − 0,85.(log ISC ) 2 − 1,43

EQ. 6.12

Onde: SN – Número estrutural do pavimento equivalente; HEQ – Espessura do pavimento equivalente, em cm; e – número Neperiano; EEQ – Módulo de Deformação do pavimento equivalente em kgf/cm2; SNC – Número estrutural corrigido; e ISC – Índice Suporte Califórnia, em %. O processo de retroanálise dispensa medidas trabalhosas e demoradas “in loco” como, a coleta de amostras e ensaios de laboratório. Os parâmetros obtidos, pela retroanálise simplificada, são usados para o cálculo do esforço de compressão, σz, em kgf/cm2, no topo do subleito do pavimento flexível ou semi-rígido existente, ocasionado pela carga padrão de 4,2 toneladas aplicada para medir a deflexão, bem como a deformação específica, εZ, correspondente. As equações, EQ. 6.13 e EQ. 6.14, são válidas para a relação EEQ/ESL = 6,18 do método, sendo estas:

σ Z = 2,128 − 8,307.10

−2

.H EQ + 1,277.10

2 3 −3 −6 .H EQ − 7,079.10 .H EQ

ε Z .ESL =1,059−6,656.10−3.H EQ −5,299.10−4.H EQ 2 +6,741.10−6.H EQ3

191

EQ. 6.13

EQ. 6.14

De acordo com FABRÍCIO e FABRÍCIO (2003), as principais razões para a adoção do conceito de análise de pavimentos equivalentes são as seguintes: - Vários engenheiros admitem que a avaliação estrutural de um pavimento com mais de 3 camadas - incluindo o subleito - por meio da retroanálise das bacias de deformação é imprecisa. As próprias teorias clássicas de camadas elásticas, empregadas pelos programas computacionais, foram elaboradas seguindo pressupostos teóricos ideais, que necessariamente não correspondem à realidade do campo; - A avaliação estrutural por meio da retroanálise das bacias de deformação de camadas pouco espessas, no caso do revestimento betuminoso, é bastante imprecisa, pois qualquer pequeno erro nas medidas de deflexão, e/ou na determinação das espessuras, acarreta em grande erro na avaliação dos módulos; e - As espessuras das camadas do pavimento real são geralmente avaliadas por intermédio de informações históricas ou por meio de poucas sondagens, muitas vezes sem critérios bem definidos. Estes autores ressaltam que atualmente não é cabível sondar-se um pavimento para obtenção das medidas exatas de espessuras, em cada local de medição de bacias, pois os resultados obtidos com o emprego de um método não destrutivo, com base na teoria elástica simplificada proposta pelo modelo de Hogg, têm apresentado resultados bastante satisfatórios em avaliações estruturais e projetos de pavimentos flexíveis e semi-flexíveis realizados por estes. Em estudos com pavimentos flexíveis, ficou comprovado que, segundo MOREIRA (1977), valores R.d0 <5.500 são típicos de pavimentos pouco resistentes. Valores abaixo de 4.000 reportam subleitos com baixa capacidade de suporte e uma espessura de revestimento menor que 7,5 cm. Produtos R..d0 >10.000 são característicos de pavimentos bastante robustos, maior capacidade de suporte. Com base nestes estudos e aplicando-se a modelagem matemática simplificada de HOGG, FABRÍCIO e FABRICIO (2003) realizaram levantamentos com viga Benkelman para estabelecer em função produto R.do correlações com os parâmetros de uma estrutura equivalente.

192

6.5

Avaliação da metodologia simplificada Esta metodologia simplificada foi avaliada e comprovada em segmentos

estudados por FABRÍCIO e FABRÍCIO (2003) empregando-se o programa ELSYM 5. No presente estudo, a partir de levantamentos deflectométricos realizados antes e depois da execução do trecho experimental com argila calcinada, os valores de d0 e d25 foram utilizados na determinação de estruturas equivalentes. Com base nestes levantamentos, foram implementadas em planilha eletrônica as correlações sugeridas por esses autores para emprego da retroanálise simplificada, possibilitando a comparação dos resultados obtidos em estruturas equivalentes com os das estruturas original e reforçada da pista experimental. Além das estruturas citadas no parágrafo anterior e a dimensionada segundo o método do DNER, foram analisadas estruturas teóricas, TAB. 6.4, compostas por agregado artificial de argila calcinada (AAAC) as quais foram comparadas às suas respectivas estruturas equivalentes. TAB. 6.4 Constituição das estruturas teóricas analisadas Estruturas Teóricas Analisadas (cm)

Camadas dos Pavimentos Teóricos

1

2

3

4

5

6

Revestimento – CA c/ AAAC

5,0

10,0

5,0

10,0

5,0

10,0

Base – 50% Solo/50% AAAC

20,0

20,0

15,0

15,0

20,0

20,0

Sub-base – 70% Solo/30% AAAC

15,0

15,0

20,0

20,0

15,0

15,0

-

-

10,0

10,0

10,0

10,0

Reforço do subleito – Solo A

Com o auxílio do programa FEPAVE2, foi possível delinear bacias de deflexão teóricas das estruturas equivalentes, as quais foram comparadas com as de suas respectivas estruturas multicamadas originais.

193

A TAB. 6.5, apresenta os resultados dessas estruturas e a analise estatística realizada, a qual apresentou coeficientes de variação médios, correspondentes a (d0/d0’) e (d25/d25’), menores que 10%, valores estes sugeridos como aceitável por seus autores. TAB. 6.5 Comprovação da retroanálises simplificada empregando FEPAVE2

Na presente análise verificou-se a facilidade de se obter subsídios importantes para a avaliação com base em um sistema estrutural de pavimento equivalente de duas camadas. Entretanto, ao empregar-se retroanálise simplificada, se valendo do produto R.d0, especial atenção se deve dar a pavimentos com camadas de revestimentos menores que 5,0 cm, pois nas avaliações analisadas estes apresentaram menor aderência ao modelo matemático simplificado de Hogg, FIG. 6.7 e 6.8.

194

DEFORMADA 0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

0

DESLOCAMENTO Z (10-2 mm)

-10 -20 -30 -40

Est. Dim DNER Real Est. Dim. DNER Eq

-50 -60 -70 -80 -90 Distância Radial (cm)

(a) Estrutura dimensionada método DNER DEFORMADA 0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

0

-2

Deslocamento Z(10 mm)

-5 -10 -15 E GXDB 9 Real

-20

E GXDB 9 Equivalente

-25 -30 -35 -40 Distância Radial (cm)

(b) Estrada de Guaxindiba – Ponto 9 FIG. 6.7 Deformadas de estruturas de pavimento analisadas

195

DEFORMADA 0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

0

-2

Deslocamento Z (10 mm)

-20

-40 E1 Real E1 Equivalente

-60

-80

-100

-120 Distância Radial (cm)

(a) Estrutura teórica 1 (CA c/ e = 5,0 cm) DEFORMADA 0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

0

-20

-2

Deslocamento Z (10 mm)

-10

-30

E4 Real E4 Equivalente

-40 -50 -60 -70 Distância Radial (cm)

(b) Estrutura teórica 4 (CA c/ e = 10,0 cm) FIG. 6.8 Deformadas de estruturas teóricas de pavimento analisadas Em diversos estados americanos, os órgãos rodoviários empregam correlações com as deflexões obtidas, seja com viga Benkelman ou FWD, para avaliação do comportamento estrutural e dimensionamento de reforço de pavimento, com base no

196

modelo matemático de Hogg. Esse modelo apresentou melhor aderência em espessuras de concreto asfáltico superiores a 7,5 cm, como se pode verificar nos exemplos de deformadas apresentados. O produto R.d0 é um importante parâmetro de avaliação estrutural entretanto, há de se observar a razão R/d0 e a relação entre os módulos de deformação elástica das camadas da estrutura equivalente, antes de determinar a qualidade estrutural de um pavimento segundo este critério. O próximo capítulo apresentará as conclusões e recomendações do presente estudo bem como, sugestões para pesquisas futuras empregando o agregado artificial de argila calcinada.

197

7

CONCLUSÕES, RECOMENDAÇÕES E SUGESTÕES DE PESQUISAS

FUTURAS Neste capítulo são apresentadas as principais conclusões que tiveram por base os resultados dos ensaios realizados em laboratório, a pista experimental construída e as análises de estruturas teóricas e reais de pavimentos constituídos por argila calcinada. 7.1

Ensaios realizados com agregados artificiais de argila calcinada Os resultados obtidos neste estudo comprovam a viabilidade técnica da

utilização do agregado da argila calcinada em base e revestimento. Entretanto, deve-se ser revisto, na metodologia de produção, os percentuais de absorção para emprego em misturas asfálticas, pois absorções deste material, superiores a 10,0 %, remetem a massas asfálticas de custo elevado. Durante o presente experimento, pode-se constatar que a baixa absorção do agregado reflete um maior coalescimento dos grãos que o constituem. A diferença entre as densidades real e aparente reflete a existência de vazios ou fissuras em seu interior responsáveis pela diminuição de sua resistência mecânica. A porosidade, diretamente relacionada à absorção deste material, é um parâmetro de avaliação adequado para o controle tecnológico de lotes produzidos de agregados artificiais de argila calcinada. Associá-lo a um ensaio tradicional de avaliação de resistência de agregados, como abrasão Los Angeles ou Treton, é suficiente para garantir a características mecânicas satisfatórias e agilizar o recebimento e a produção deste material. Ensaios complexométricos devem ser empregados com bastante cuidado na análise das argilas empregadas por olarias, pois, por costume, estas alternam suas matérias-primas, alternância de jazidas, sem critérios definidos, se valendo apenas da experiência de seus encarregados com relação ao material. Isto se deve à menor exigência com relação à qualidade de seus usuais produtos fabricados: tijolos e telhas. Portanto, o resultado de absorção obtido com agregados proveniente da queima em laboratório de pequenas quantidades de blocos (amostras dos lotes extrusados em maromba de olaria) podem ser mais importantes e representativos que estes ensaios complexométricos para determinação das características físicas e mecânicas dos agregados. 198

A produção deste tipo de material pode ser otimizada com o emprego de unidades específicas para este fim, ao invés de se empregar olarias convencionais que utilizem combustíveis com maior poder calorífico e que permitam um maior controle da temperatura de queima. Entretanto, apesar das deficiências de uma produção em olaria em relação às possivelmente realizáveis em unidades especificas para este fim, o baixo aporte de capital para realizar esta produção de pétreo sintético de argila, a abundância de olarias em certas localidades, os elevados preços dos agregados nestas regiões e os bons resultados obtidos com misturas solo-agregados, estabilizações granulométrica e concreto asfáltico fazem dela uma alternativa viável técnica e econômica. Durante a avaliação dos lotes produzidos constatou-se que a maioria destes apresentou absorção entre 12,0% e 15,0%, refletindo um consumo elevado de ligante quando empregado como agregado de mistura betuminosa. Logo, sugere-se o estudo de possíveis meios de pré-tratamento de agregado com o objetivo de reduzir a porosidade, impermeabilizando-os e reduzindo, assim, os custos destas misturas. Sugere-se então, uma avaliação de custos levando-se em conta o valor de absorção desejado e a matériaprima empregada. Diante do exposto, verifica-se que o limite para absorção sugerido pela metodologia de produção deste agregado deve ser revisto, observação já realizada no estudo de SILVA (2006). Sugere-se manter o percentual sugerido, 18%, apenas quando este for utilizado em estabilizações granulométricas ou misturas solo-agregados. Com relação aos agregados de argila calcinada produzidos para misturas asfálticas, sugere-se que este limite seja de 10%. Entretanto, verificou-se no presente estudo a dificuldade de obter-se este percentual em olarias, o que remete a uma das proposta de estudo sobre o real potencial do emprego de olarias para este fim e as adaptações necessárias a serem realizadas nesta para otimizar a produção. Constatou-se que durante a britagem em unidade convencional, este material se comportou como os demais materiais pétreos. As perdas ocorridas deveram-se a problemas. O aumento das propriedades mecânicas deste também contribue para a redução de pó-de-argila calcinada, assim como ocorre com os materiais pétreos usuais do meio rodoviário. O emprego de blocos cerâmicos constituídos por prismas hexagonais com diâmetro de 19,0 mm evitou o emprego do rebritador, o que reduz a produção de finos, pó-de-argila calcinada. 199

7.2

Ensaios com misturas solo-agregados e estabilizações granulométricas com

argila calcinada O resultados de ISC, empregando misturas solo-argila calcinada, foram superiores aos resultados obtidos com os solos puros ensaiados. Comparando os resultados com argila calcinada aos obtidos empregando seixorolado e brita em misturas solo-agregados, verifica-se a superioridade da brita em relação aos demais, entretanto, os valores de misturas solo-argila calcinada são satisfatórios para emprego em pavimentação e comparáveis ao desempenho da mistura solo-seixo rolado. O resultado de módulo de resiliência, empregando-se 30,0% de agregado de argila calcinada em relação à massa seca de solo A, proveniente de Santarém-PA, foi maior que os obtidos nos demais percentuais estudados e com outros materiais pétreos analisados. Por sugestão, deve-se empregar misturas solo-argila calcinada com percentual em massa em relação à massa seca de solo entre 30% e 50%, face à baixa massa unitária deste material em relação aos usualmente utilizados no meio rodoviário. Verificou-se que, durante a avaliação da argila calcinada graduada, o período de imersão reduz a capacidade de suporte deste material e que, após dois dias de imersão, os valores de ISC são bem próximos dos obtidos com quatro dias de imersão. Esta observação permite uma boa estimativa do Índice de Suporte Califórnia de estabilizações granulométricas em apenas dois dias de imersão. Ao se empregar agregado de argila calcinada pura, enquadrado em faixas dos órgão rodoviários citados na presente pesquisa, foi possível verificar que os resultados de módulo de resiliência foram os menores obtidos, independente da energia de compactação empregada, quando comparados às misturas solo-agregados e aos solos estudados. O emprego de argila calcinada pura, argila calcinada graduada, apresentou deformações plásticas maiores que a mistura solo-agregado nos níveis de tensões avaliados.

200

7.3

Ensaios com concreto asfáltico de argila calcinada As misturas asfálticas com CAP 30/45 não apresentaram características

satisfatórias durante o condicionamento em estufa. Entretanto, não se constatou o escorrimento do ligante durante as fases de usinagem, transporte, lançamento e compactação da mistura escolhida para a construção do segmento experimental. A utilização de banho de cal nos agregados de argila calcinada resolve visualmente o problema de descobrimento dos agregados pelo ligante asfáltico. Portanto sugere-se o estudo de pré-tratamento destes agregados afim de se obter, além de um resultado satisfatório neste ensaio, um menor consumo de ligante. Os agregados de argila calcinada utilizados neste estudo não apresentaram problemas de adesividade e os resultados obtidos em laboratório, RT e MR, foram satisfatórios e compatíveis com os obtidos em campo, GC=100%. Os traços 1 e 2, apresentados no capítulo 3, não se enquadraram dentro dos limites de vazios e relação betume-vazios (DNIT 03/2004 – ES). Devido a isto, torna-se recomendável o desenvolvimento de uma metodologia específica para este tipo de material com resistência mecânica satisfatória. Durante a execução do segmento experimental empregou-se 10,5% de ligante (CAP 30/45), percentual acima do determinado por dosagem Marshall, cujo o objetivo foi evitar qualquer problema relacionado a interação ligante-agregado devido, principalmente: heterogeneidade do lote de agregados de argila calcinada produzidos, absorção por parte destes agregados, escorrimento de ligante e tolerância de dosagem de ligante da usina empregada. A densidade aparente da mistura asfáltica composta por argila calcinada exigi a redução da produção ou adaptação de usinas de fluxo contínuo, afim de evitar o seu entupimento. O emprego de rolo de pneus se mostrou mais adequado tanto na fase de compactação quanto na fase de acabamento. Entretanto, o emprego de rolo liso requer maiores observações para avaliar se há malefícios para o agregado de argila calcinada durante o seu emprego.

201

7.4

Avaliação de pavimento constituído por argila calcinada com o modelo de hogg O emprego deste tipo de análise apresenta a vantagem de ser não destrutivo e ter

como base uma teoria elástica simplificada, permitido uma concepção moderna de análise estruturas viárias à luz dos modernos conceitos da mecânica dos pavimentos, e exigir apenas duas medidas de deflexão em campo d0 e d25. Constatou-se, empregando bacias de deflexões teóricas geradas pelo programa FEPAVE2, que os resultados obtidos com o modelo simplificado de Hogg são compatíveis com os da estrutura original. A melhor aderência desse modelo foi observada em estruturas de pavimento com revestimentos de espessuras superiores a 7,5 cm. Recomenda-se

o

emprego

deste

modelo

em

avaliações

estruturais,

dimensionamento de reforços de pavimento e possivelmente, com certas adaptações, no projeto de novos pavimentos, vislumbrando-se assim o desenvolvimento de outras metodologias, e empregando-se este modelo na avaliação estrutural de pavimentos asfálticos. 7.5

Sugestões de pesquisas futuras Realizar um estudo, variando as condições de produção do agregado de argila

calcinada, em unidade de olaria, com fornos instrumentados de forma a determinar a distribuição de calor dentro destes e no interior dos blocos. Desta forma, seria possível determinar a melhor distribuição dos blocos no interior dos fornos para obtem-se produções à altura do exigido para uma obra rodoviária e uma menor heterogeneidade do material, o que dificulta a dosagem das misturas asfálticas. Os resultados obtidos empregando-se misturas solo-agregados compostas por argila calcinada foram bastante favoráveis. Entretanto sugere-se o emprego de outros solos para melhor caracterizar o seu comportamento, buscando-se correlações entre os ensaios tradicionais consolidados, ISC, e as modernas avaliações com base em ensaios de módulo de resiliência e deformação permanente. Outro possível estudo seria sobre o emprego da argila calcinada pura em estabilizações granulométricas, melhoradas ou tratadas com cimento Portland bem como, as características necessárias, físicas e mecânicas, deste agregado para ser empregado como agregado em pavimento rígido. 202

Sugere-se ainda, um estudo comparativo da deformação permanente, em função das características físicas e mecânicas destes agregados sintéticos, entre a brita e argila calcinada graduada. Com relação aos estudos com misturas asfálticas sugere-se ainda:

•

Estudar misturas asfálticas com diferentes proporções de agregados de argila calcinada para que seja avaliada a influência da proporção de argila calcinada nas misturas asfálticas.

•

Estudar um procedimento de dosagem adequado a este tipo de material, normatizando-o perante um órgão rodoviário público.

•

Estudar o comportamento mecânico de misturas asfálticas com agregados de argila calcinada após terem sido banhados com solução de cal hidratada, sugeridos por SILVA (2006), e a forma de viabilizar o seu emprego uma vez que, diante da dificuldade de obter-se pétreos de qualidade, o banho de agregado vêm se tornado uma realidade em alguns estados norte-americanos (IOWA, 2003).

•

Estudar a influência da utilização do fíler de argila calcinada em comparação ao fíler de cimento Portland e Cal.

•

Estudar o efeito do aumento do tempo de condicionamento nas misturas asfálticas, visto que é necessário verificar para que tempo de condicionamento existe uma tendência de estabilização da absorção de ligante asfáltico.

•

Estudar o emprego de ligante com elevada viscosidade e faixas granulométricas diferentes das usualmente estudadas até então afim de se obter melhor interação asfalto-argila calcinada e desempenho, RT e MR. A adição de fíler mais fino também pode ser avaliada com este fim, pois a sua presença aumenta a viscosidade do ligante e diminuindo a absorção, SILVA(2006).

203

Sugere-se ainda, o acompanhamento ao longo da vida em serviço do segmento experimental construído, por meio de avaliações estruturais e funcionais, para identificar possíveis deficiências deste material, empregado de forma inédita no Brasil. Por fim, é necessária uma avaliação de custos do emprego desta alternativa de material pétreo sintético de argila nos serviços de pavimentação.

204

8

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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9

APÊNDICE

215

9.1

APÊNDICE: ENSAIOS COMPLEXOMÉTRICOS – ARGILAS

216

217

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227

228

229

230

9.2

APÊNDICE: CARACTERIZAÇÃO

DAS

AGREGADOS E ARGILA CALCINADA GRADUADA

231

MISTURAS

SOLO-

TAB. 9.1 Massa específica aparente seca (MEAS) e Umidade ótima (hótima) de misturas solo-agregados e argila calcinada pura

Solo

SOLO A

SOLO B

%

Agregado

%

Energia de Compactação

100 30 50 70 30 50 70 15 30 50 50 70 85 50 100

-

70 50 30 70 50 30 85 70 50 50 30 15 50 100 100 100

Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Modificada Intermediária Modificada Modificada Modificada Modificada Intermediária Modificada Modificada

BRITA SEIXO

ARGILA CALCINADA

-

ACG FAIXA C – DNIT/DER ACG FAIXA III – DER/PR

232

MEAS (g/cm3) 1,824 2,120 2,075 2,050 2,109 1,981 1,936 1,639 1,636 1,698 1,612 1,759 1,796 1,715 1,918 1,595 1,606 1,659

hÓtima (%) 17,6 5,5 6,8 9,2 8,5 12,0 14,5 18,1 17,5 16,3 16,9 16,7 17,2 13,9 10,5 18,4 19,1 18,9

9.3

APÊNDICE: TABELAS COM RESULTADOS DE ÍNDICE DE SUPORTE

CALIFÓRNIA DE MISTURAS SOLO-AGREGADOS E ARGILA CALCINADA GRADUADA

233

TAB. 9.2 Resultados de Índice de Suporte Califórnia – ISC

Solo

%

Agregado

%

100

-

-

30 50

SOLO A

70 BRITA

50

70

30

30

70

50

SEIXO

50

70

30

30

70

50

50

50

ARGILA CALCINADA

50

70

30

50

50

SOLO B 100

-

-

ARGILA CALCINADA GRADUADA FAIXA C - DNIT

FAIXA III - DER/PR

100

CP N°

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Energia de Compactação

Modificada

Intermediária

Modificada

Intermediária

hensaio (%)

I.S.C. (%)

Expansão (%)

18,6

28

0,09

5,3

163

0,01

7,2

127

0,01

9,7

79

0,02

9,1

113

0,01

12,1

41

0,01

13,2

28

0,01

17,6

95

0,01

16,1

81

0,12

14,3

31

0,12

14,2

38

0,01

13,8

74

0,02

10,1

9

0,04

19,3

101

-

18,7

72

-

18,9

71

-

19,9

141

-

18,6

200

-

19,1

192

-

18,5

77

-

Modificada

234

9.4

APÊNDICE: FICHAS DE ENSAIOS DE MÓDULO DE RESILIÊNCIA E

DEFORMAÇÃO PERMANENTE – SOLO-ARGILA CALCINADA E ARGILA CALCINADA GRADUADA

235

236

237

238

239

240

241

242

243

244

245

246

247

248

249

250

251

252

9.5

APÊNDICE: TABELAS

COM

NUMERAÇÃO

DOS

CORPOS-DE-

PROVAS, RESULTADOS DE MÓDULO DE RESILIÊNCIA E RESISTÊNCIA À TRAÇÃO – CONCRETO ASFÁLTICO

253

TAB. 9.3 Numeração dos corpos-de-prova de concreto asfáltico

Agregado Graúdo

Agregado Miúdo

Filler

CP Nº

Finalidade

Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado

Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Areia Areia Areia Areia Areia Areia Areia Areia Areia Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra

Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Pó-de-argila calcinada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 39 40 41

Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall

254

RT RT MR RT MR RT MR RT Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall

TAB. 9.3 Numeração dos corpos-de-prova de concreto asfáltico (continuação) Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado Seixo-rolado

Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra Pó-de-pedra

Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada Cal hidratada

255

42 43 44 45 46 47 48 49 50

Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall Dosagem Marshall MR RT MR RT MR RT MR RT MR RT

TAB. 9.4 Resultados de módulo de resiliência (MR) e resistência à tração (RT) CP N° 13 14 15 16 17 46 47 48 49 50 16ª 17ª 19ª 16B 17B 19B

Agregado graúdo Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Seixo-Rolado Seixo-Rolado Seixo-Rolado Seixo-Rolado Seixo-Rolado Argila Calcinada Argila Calcinada Argila Calcinada Brita Brita Brita

D (cm) 10,17 10,21 10,15 10,15 10,13 10,19 10,21 10,19 10,16 10,19 9,98 10,00 10,10 10,02 9,99 9,96

H (cm) 6,14 6,05 6,38 6,29 6,26 6,19 6,21 6,29 6,33 6,29 4,22 3,98 4,09 6,55 6,71 4,18

256

Dap 1,943 1,957 1,962 1,978 1,959 2,342 2,345 2,329 2,351 2,330 1,957 1,964 1,984 2,300 2,300 2,320

MR (MPa) 3.133 2.802 2.727 2.097 2.524 6.251 6.700 6.737 6.863 6.663 3.705 3.273 3.321 8.290 8.071 9.018

RT (MPa) 1,00 0,96 0,92 0,79 0,99 1,24 1,22 1,25 1,25 1,22 0,83 0,85 0,88 1,41 1,44 1,07

RT p/ MR Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim

9.6

APÊNDICE: DOSAGEM MARSHALL DE CONCRETO ASFÁLTICO –

ARGILA CALCINA E SEIXO-ROLADO

257

258

259

260

261

262

263

264

265

266

10

ANEXO

267

10.1

ANEXO:

CONTAGEM

E

PESAGEM

CLASSIFICATÓRIA

DE

TRÁFEGO DA ESTRADA DO GUAXINDIDIBA FORNECIDA PELO DER/RJ

268

Relatório de pesagem por eixo e categoria realizado pelo DER-RJ na Estrada de Guaxindiba Período: 15/01/2008 – 21/01/2008

Categoria

2 Eixos 3 Eixos 3 Eixos SR 4 Eixos 5 Eixos 6 Eixos

Volume total

4.223 40 20 11 9 1

Excesso total nos eixos (t)

Veículos Peso total (t)

com excesso de peso bruto

18.914 396 369 136 376 55

Cavalo Dianteiro

Simples ou Duplo

383 1 9 3 9 1

3.679 1 16 1 17 -

269

Traseiro

Tandem

Tandem

simples

duplo

triplo

156 10 1 1

12 1

53 6