MISTURAS ASFÁLTICAS PARA REVESTIMENTOS DE PAVIMENTOS PRODUZIDOS COM BAIXA ENERGIA E REDUÇÃO DE TEMPERATURA, PARA DIMINUIÇÃO DE CONSUMO ENERGÉTICO E DE EMISSÃO DE POLUENTES

Dr. Rosângela Motta

Pesquisadora;

Prof. Liedi Bariani Bernucci

Coordenadora do Laboratório de Tecnologia de Pavimentação da USP;

 Valéria Cristina de Faria

Coordenadora do Centro de Pesquisas Rodoviárias CCR Novadutra

Resumo

Nos últimos anos tem havido uma crescente preocupação com o meio ambiente. Dentro deste contexto, surgiram as misturas asfálticas de baixa energia (chamadas de mornas) que, devido à diminuição de temperatura na usinagem e na compactação, têm impacto positivo no que tange à poluição ambiental e ao consumo energético. Este estudo teve o objetivo de introduzir tal tecnologia em uma concessionária de rodovias no Brasil, no caso a Concessionária NovaDutra do grupo CCR. Para tanto, procurou-se avaliar em laboratório o comportamento de uma mistura morna, comparando-o com aquele da mistura a quente convencional, e além de acompanhar a execução de um trecho experimental com tal mistura de baixa energia na Rodovia Presidente Dutra. Os resultados obtidos em laboratório e em campo mostraram que a mistura asfáltica morna em revestimentos de pavimentos tem uso promissor.

Palavras-chave: pavimentação, misturas asfálticas de baixa energia, misturas asfálticas mornas

Environmental concern has been increased in the last years. Cause of that, low energy asphalt mixes (as known as warm mixes) were developed, and due to the reduction of mixing and compaction temperature are associated with a positive impact in terms of environmental pollution and energy consumption. This study intendedto introducethis technology in a road concession in Brazil, theConcessionária da RodoviaPresidente Dutra S.A. – NovaDutra aConcession from CCR Group. For such objective the behaviour of a warm mix was evaluated in laboratory in comparison with conventional hot mix asphalt, besides the construction of a trial section in President Dutra Highway using that warm mix. The results obtained in the laboratory tests and in the field showed a promising use of warm mix asphalt.

1. Introdução

            Nos últimos anos a preocupação com o meio ambiente tem sido cada vez mais evidente. Com a adoção do Protocolo de Quioto em 1997, diversos segmentos da sociedade vêm buscando fomentar atividades que contribuam com a redução de emissões de gases de efeito estufa (GEE), uma vez que se acredita que estes elementos sejam os grandes responsáveis pelo aquecimento global.

            O setor rodoviário tem procurado seguir esta mesma tendência, desenvolvendo novas tecnologias no âmbito da pavimentação com o objetivo de contribuir com as questões ambientais. Dentro deste contexto, destacam-se dois marcos importantes: a União Europeia começou a buscar formas de cumprir as metas estabelecidas pelo Protocolo de Quioto, e o Ministério do Trabalho e das Relações Sociais alemão passou a considerar limites de exposição para os trabalhadores expostos a fumos de asfalto em 1996. Estes dois fatos principiaram as iniciativas de se produzir misturas asfálticas com temperaturas mais baixas que aquelas usuais a quente para reduzir a emissão de poluentes e o consumo energético. Surgiram assim, as chamadas misturas asfálticas mornas (em inglês, Warm Mixes Asphalt – WMA), chamadas aqui de misturas asfálticas de baixa energia, que se referem a um grupo de tecnologias desenvolvidas com o intuito de diminuir a temperatura das misturas asfálticas convencionais em cerca de 30°C a 50°C (Newcomb, 2006; Prowell e Hurley, 2007).

            O assunto foi primeiramente apresentado em 1997, dentro do German Bitumen Forum (uma parceria entre governo, indústria e trabalhadores da Alemanha), em resposta à consideração do Ministério alemão sobre a exposição ocupacional aos fumos de asfalto (Prowell e Hurley, 2007). Depois da criação deste fórum, a DAV (associação alemã de asfalto) iniciou um programa chamado “Low Temperature Asphalt” com o principal objetivo de investigar diversos métodos em que misturas asfálticas pudessem ser produzidas em temperaturas mais baixas que aquelas convencionais a quente (Barthel et al., 2004).

            Os primeiros pavimentos com misturas asfálticas mornas foram então construídos na Europa (mais especificamente na Alemanha e na Noruega), a partir de 1995, utilizando diferentes tecnologias e, posteriormente, o tema foi introduzido nos Estados Unidos em 2002 (Prowell e Hurley, 2007).

            Seguindo esta mesma tendência, foi ainda desenvolvido na França um outro tipo de tecnologia onde a redução de temperatura é ainda maior, da ordem de 50°C ou mais, com as misturas sendo preparadas e aplicadas abaixo de 100°C. Neste caso, têm-se as chamadas misturas asfálticas semimornas (em inglês, Half-Warm Mixes Asphalt – HWMA).

            Atualmente, com a disseminação do uso de misturas com asfaltos modificados com polímero ou com borracha, para uma maior durabilidade dos pavimentos, onde as temperaturas requeridas na usinagem são ainda maiores que aquelas com asfaltos convencionais (em aproximadamente 10 a 20°C), o emprego de misturas asfálticas mornas e semimornas se faz ainda mais pertinente.

            A literatura em geral indica que a diminuição das temperaturas de mistura e compactação com as misturas mornas e semimornas pode trazer importantes benefícios relacionados ao meio ambiente, à exposição ocupacional e à qualidade da pavimentação. São eles: (i) menor emissão de poluentes atmosféricos; (ii) Melhoria do ambiente de trabalho na pavimentação (redução de fumos e odores de asfalto); (iii) Diminuição do consumo energético (menor consumo de combustível); (iv) Possível redução do envelhecimento do ligante asfáltico durante a usinagem (refletindo em maior flexibilidade e durabilidade em campo); (v) Menor dificuldade de aplicação em épocas ou locais de clima muito frio ou quando se tem que percorrer longas distâncias entre a usina e o campo (devido ao menor gradiente térmico em relação a misturas convencionais); (vi) Uso de maiores quantidades de mistura asfáltica fresada em reciclagem (devido à menor dificuldade de usinagem quanto à temperatura).

1.1 Tipos de misturas asfálticas de baixa energia

            Os diferentes tipos de misturas asfálticas vêm sendo classificados de acordo com a temperatura empregada em sua produção/aplicação, sendo variável a energia consumida no processo. A Figura 1 ilustra, de maneira esquemática, esta divisão por classes considerando as temperaturas de usinagem.

            Como representado na Figura 1, as misturas asfálticas podem ser divididas basicamente em quatro grupos: a frio, semimornas, mornas e a quente, sendo consideradas de baixa energia as misturas semimornas e mornas.

            As misturas asfálticas a frio normalmente são produzidas e aplicadas à temperatura ambiente. Já as misturas semimornas apresentam-se em temperaturas inferiores à vaporização da água, ou seja, entre 60 e 100ºC, enquanto que nas mornas as temperaturas se situam entre 100 e 150ºC. As misturas semimornas diferenciam-se das mornas quanto à temperatura final de usinagem: acima de 100ºC a mistura é considerada morna (FHWA, 2008). Por fim, as misturas asfálticas a quente usualmente são produzidas e aplicadas entre 150 e 180ºC.

            Normalmente, o emprego de elevadas temperaturas na usinagem e compactação de misturas asfálticas a quente tem dois objetivos: i) retirar a água contida nos agregados antes da usinagem, uma vez que a água remanescente nos agregados pode ficar “aprisionada” quando o ligante os recobre e, assim, criar uma área com potencial para haver descolamento entre o filme asfáltico e o material pétreo (efeito stripping), podendo causar desagregação do pavimento; ii) reduzir a viscosidade do ligante para sua melhor trabalhabilidade, devendo a viscosidade do asfalto ser tal que este possa ser bombeado em usina e possa recobrir os agregados de maneira adequada.

            Desta forma, as tecnologias disponíveis atualmente para produzir misturas de baixa energia basicamente consistem em: (i) empregar aditivos químicos que melhoram o recobrimento e a adesividade na mistura asfáltica; (ii) empregar aditivos orgânicos (ceras parafínicas) que alteram a viscosidade do asfalto; (iii) produzir uma espuma com o asfalto aquecido pela inserção de água e/ou aditivos com água em sua composição.

            De maneira geral, a redução de temperatura na usinagem de misturas mornas é realizada através da diminuição da temperatura dos agregados, mantendo-se a temperatura usual do ligante asfáltico. A Tabela 1 apresenta algumas destas técnicas existentes no mercado nos dias de hoje.

Tabela 1. Algumas tecnologias de misturas asfálticas de baixa energia existentes atualmente

O objetivo desta pesquisa foi o de introduzir em uma concessionária de rodovias no Brasil (no caso a Concessionária NovaDutra do grupo CCR), a técnica de redução de energia de usinagem na produção e execução de misturas asfálticas a serem aplicadas como revestimentos de pavimentos, de modo a reduzir impactos ambientais decorrentes de novas obras de pavimentação ou de restauração em pavimentos asfálticos (o que poderia vir a ser introduzido em um projeto para comercialização de créditos de carbono). Para tanto, procurou-se avaliar em laboratório o comportamento de uma mistura morna, comparando-o com aquele da mistura a quente convencional, além de acompanhar a execução de um trecho experimental com tal mistura de baixa energia na Rodovia Presidente Dutra. Cabe mencionar que, para a presente pesquisa, foi escolhida uma tecnologia de mistura morna de uso de aditivo químico surfactante.

 2. Estudo laboratorial

 2.1 Materiais

            Os agregados pétreos e os ligantes asfálticos usados nesta pesquisa foram fornecidos ao LTP-EPUSP pela Concessionária NovaDutra, e são representativos dos materiais empregados nas obras de restauração da Rodovia Presidente Dutra.

            O aditivo surfactante utilizado na produção das misturas mornas é comercialmente denominado Gemul XT14 e foi fornecido ao LTP-EPUSP pela empresa Quimigel. Este produto foi empregado em uma taxa de 0,3% em massa de asfalto.

            O laboratório do Centro de Pesquisas Rodoviárias (CPR) da Nova Dutra realizou a caracterização dos materiais pétreos e ligantes asfálticos empregados neste estudo, além das dosagens Marshall das misturas a quente convencionais. Já o Laboratório de Tecnologia de Pavimentação da USP realizou os ensaios de caracterização das propriedades mecânicas das misturas asfálticas.

            Foram estudados dois tipos de mistura asfáltica (descritos na sequência), compostos de: (1) CAP 50-70 da refinaria REVAP e agregados graníticos da Pedreira Santa Isabel (Grande SP); e (2) CAP 30-45 da REPLAN e agregados graníticos da Pedreira Serveng Barueri (Grande SP).

Mistura asfáltica (1): Para a composição da faixa granulométrica com diâmetro nominal máximo de 12,5 mm, distribuição contínua Faixa C DNIT, foram empregados 25% de brita 1/2, 30% de pedrisco, 33,5% de pó-de-pedra, 10% de areia artificial e 1,5% de cal CH-I. A dosagem da mistura asfáltica a quente de referência foi realizada pelo Método Marshall, visando um volume de vazios de projeto de 4%. O teor de asfalto de projeto encontrado foi 4,4%. A dosagem da mistura morna foi considerada a mesma da mistura a quente.

Mistura asfáltica (2): Para a composição da faixa granulométrica com diâmetro nominal máximo de 12,5 mm foram empregados 14% de brita 1, 45% de pedrisco, 39,5% de pó-de-pedra e 1,5% de cal CH-I. A dosagem da mistura asfáltica a quente de referência foi realizada pelo Método Marshall, visando um volume de vazios de projeto de 4%. O teor de asfalto de projeto encontrado foi 5,0%. A dosagem da mistura morna foi considerada a mesma da mistura a quente.

             As temperaturas de usinagem e compactação das misturas mornas e a quente são apresentadas na Tabela 2.

Tabela 2. Temperaturas das misturas asfálticas

            Nesta pesquisa foram avaliados em laboratório os seguintes parâmetros: (i) volume de vazios (por pesagem hidrostática); (ii) deformação permanente (em simulador de tráfego francês); (iii) resistência à tração por compressão diametral; (iv) dano por umidade induzida.

Tendo-se em mente que um aumento do teor de ligante pudesse influenciar na densificação da mistura asfáltica por aumentar a lubrificação do material (embora pudesse potencializar a deformação permanente), procurou-se também avaliar nesta pesquisa o volume de vazios e a deformação permanente das misturas de baixa energia com um ligeiro aumento da quantidade de asfalto em sua composição, dentro do erro aceitável em usinas de asfalto no Brasil (±0,3%).

            Segundo recomendações europeias, o afundamento em trilha de roda de revestimentos asfálticos densos sujeitos a tráfego pesado deve ser de no máximo 5% após 30.000 ciclos no simulador de tráfego francês. No Brasil também tem-se procurado estabelecer o limite de 5% aos 30.000 ciclos para concretos asfálticos submetidos a tráfego pesado para as condições prevalecentes no país, devido seu clima ser desfavorável quanto à deformação permanente. Este limite vem sendo utilizado desde 1994 no LTP-EPUSP, desde que os primeiros testes foram feitos com este simulador no Brasil.

            Já quanto à resistência à tração a 25ºC de misturas asfálticas a quente destinadas para camada de rolamento ou de binder, a especificação do DNIT ES031 (2006) exige que esta deva ser de 0,65 MPa no mínimo. Esta mesma norma do DNIT ainda determina que a resistência retida à tração deva ser superior a 0,7 (ou 70%) após o ensaio de dano por umidade induzida.

2.3 Resultados

            Na sequência, a Figura 2, a Figura 3, a Figura 4 e a Figura 5 apresentam, respectivamente, os resultados de volumes de vazios, deformação permanente, resistência à tração por compressão diametral e resistência retida à tração após dano por umidade induzida. Observa-se que, por ter sido empregada uma temperatura de compactação muito baixa (110ºC), as misturas mornas (1) mostraram, no geral, um comportamento inferior ao da mistura a quente, diferentemente da mistura de baixa energia (2) que demonstrou comportamento próximo ao da mistura a quente. Além disso, pode-se notar que o incremento do teor de ligante tornou mais efetiva a compactação das misturas de baixa energia, particularmente no caso da mistura com CAP 50-70, mas foi muito prejudicial no que se refere à deformação permanente.

 3. Trecho experimental

            O trecho experimental foi realizado na Rodovia Presidente Dutra em novembro de 2009. A mistura de baixa energia a ser aplicada foi aquela estudada em laboratório com CAP 30-45 e agregados da Pedreira Serveng Barueri.

            O local escolhido para a obra foi determinado pela NovaDutra, no km 225 (altura da cidade de Guarulhos, na Grande São Paulo), pista expressa sul (sentido São Paulo), faixa 1 (menos carregada).

            Foi feita uma fresagem de 6 cm ao longo de 350 m para que então fosse feita a recomposição com a mistura de baixa energia.

 3.1 Produção da mistura de baixa energia em usina e aplicação em campo

            O processo de usinagem e aplicação em pista deu-se sem problemas, com os agregados aparentando estar bem envolvidos pelo ligante, mesmo com a mistura tendo sido preparada em temperatura mais baixa que o usual de uma mistura a quente. Foram empregados equipamentos e técnicas usuais de compactação de misturas asfálticas convencionais. Da Figura 6 à Figura 11 têm-se algumas fotos da execução do trecho experimental, cuja temperatura de compactação foi de 120ºC. 

            Nesta pesquisa fez-se uma estimativa simples da economia de energia e de custos no processo de mistura morna, comparando-a com o de uma mistura a quente convencional. Como a secagem e aquecimento dos agregados em usina é uma etapa que demanda grande consumo energético, procedeu-se a uma estimativa da economia de energia obtida com a redução da temperatura de usinagem (como realizado por Romier et al., 2006 e Olard, 2008), a partir do estabelecimento de algumas hipóteses listadas na Tabela 3.

 Tabela 3. Hipóteses adotadas no cálculo de economia de energia na usinagem

 Tabela 4. Estimativa do gasto energético em usina para secagem e aquecimento dos agregados na produção de 160 t de mistura morna do trecho experimental

            A pesquisa mostrou que a mistura de baixa energia aplicada em campo apresentou resultados laboratoriais próximos ao da mistura com temperatura a quente convencional. Neste caso, a redução de temperatura foi de 25ºC.

            Em usina não se constataram dificuldades para a usinagem da mistura morna. Da mesma forma, o relato dos responsáveis pela obra foi de que a mistura morna não demonstrou dificuldade de densificação, tendo sido mantidos todos os procedimentos que normalmente se realizam na execução dos revestimentos a quente.

            A estimativa de economia de energia em usina entre a mistura morna e uma mistura a quente convencional mostrou que há uma redução significativa do consumo de combustível quando se diminui a temperatura de secagem dos agregados para a produção da mistura de baixa energia.

            Resta analisar a questão da durabilidade, que deve ser verificada em longo prazo. Dentro desta pesquisa, o trecho experimental foi construído há quase três anos, tendo sido submetido desde então a tráfego extremamente intenso e pesado na Rodovia Presidente Dutra, parecendo não apresentar problemas até o momento.

  Referências

BARTHEL, W.; MARCHAND, J.-P.; von DEVIVERE, M. Warm asphalt mixes by adding a synthetic zeolite. In: Eurasphalt & Eurobitume Congress, 3., 2004, Vienna. Anais..., n. 354.

DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES. DNIT ES031/06: Pavimentos flexíveis: Concreto asfáltico: Especificação de serviço. Rio de Janeiro, 2006.

FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION. Warm mix asphalt technologies and research. Disponível em <http://www.fhwa.dot.gov>, acessado em 24/08/2009.

NEWCOMB, D. An introduction to warm-mix asphalt. 2006. National Asphalt Pavement Association, Lanham. Disponível em <http://fs1.hotmix.org>, acessado em 24/08/2009.

OLARD, F. Low energy asphalts. Routes Roads, n. 336-337, p. 131-145, 2008. Apresentado a 23 World Road Congress: General Report and Conclusions: PIARC Prizes, 23., Paris, 2008.

PROWELL, B. D.; HURLEY, G. C. Warm-mix asphalt: Best Practices. Quality Improvement Series 125. Lanham: National Asphalt Pavement Association, 2007.

ROMIER, A.; AUDEON, M.; DAVID, J.; MARTINEAU, Y.; OLARD, F. Low-energy asphalt (LEA^®) with the performance of hot-mix asphalt. In: Transportation Research Board Annual Meeting, 85., 2006, Washington. Anais… Washington: TRB, 2006.