Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos

Carlos Daniel Aleixo Loureiro Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos fevereiro de 2021 Carlos Daniel Aleixo Loureiro Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Civil Trabalho realizado sob a orientação do Professor Doutor Hugo Manuel Ribeiro Dias da Silva fevereiro de 2021 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição CC BY https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos iii AGRADECIMENTOS A presente dissertação foi desenvolvida no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Civil – Perfil Planeamento e Infraestruturas de Transporte, na Universidade do Minho. Gostaria de expressar os meus profundos agradecimentos e reconhecimento a todas as pessoas que contribuíram para a sua elaboração, e em particular às que refiro em seguida. Em primeiro lugar, ao Professor Doutor Hugo Silva gostava de dirigir o meu agradecimento por toda a disponibilidade, pelos ensinamentos transmitidos e pelo apoio motivacional demonstrado ao longo da execução da dissertação, bem como toda a sua amizade e reconhecimento. Aos técnicos do Laboratório de Pavimentos Rodoviários, do Departamento de Engenharia Civil, nomeadamente ao Engenheiro Carlos Palha e ao Engenheiro Hélder Torres, agradeço-lhes toda a disponibilidade, apoio, incentivo e acima de tudo amizade em todas as fases do meu trabalho laboratorial, principalmente num ano tão complicado que todos vivemos. A todos os professores, técnicos e amigos que estiveram presentes nos Laboratórios de Engenharia Civil da Universidade agradeço os bons momentos e as conversas passadas que me ajudaram a ter um melhor aproveitamento no meu trabalho diário no laboratório. Aos meus amigos do Hóquei em Patins que me ajudaram a “desanuviar a cabeça” de todo o trabalho que tinha por fazer, e também me iam motivando para finalizar a dissertação. Por último, deixo um agradecimento à minha família, em especial aos meus pais (Carlos e Rita), à minha irmã Adriana, à minha sobrinha Camila e ao meu cunhado Nuno que sempre estiveram, e sei que vão estar, ao meu lado nos momentos mais difíceis e desafiantes. Pois, sei bem que sem eles, nada disto seria possível… “Nada acontece a menos que o sonhemos primeiro” Carl Sandburg Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio, nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos v Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos RESUMO A premência de mitigar o consumo de energia e de recursos naturais levou a indústria de pavimentação a mudar o seu paradigma de produção atual, para promover o desenvolvimento de novos materiais e soluções de reparação que aumentem a durabilidade e a qualidade das infraestruturas rodoviárias, de uma forma economicamente sustentável. A presente dissertação tem como objetivo estudar a influência de aplicar resíduos industriais (escória siderúrgica) e de fibras metálicas como elementos potenciadores de soluções de autorregeneração de pavimentos rodoviários. Através do aquecimento das misturas betuminosas com um equipamento de indução (micro-ondas) e com a realização de ensaios de caraterização mecânica avaliou-se a capacidade de autorregeneração das misturas. Neste trabalho foram produzidas três misturas de betão betuminoso (AC14), uma de controlo, outra com fibras metálicas e, por último, uma composta por agregados de escória siderúrgica (ASIC) e fibras metálicas. No início, a eficácia da indução por micro-ondas para aquecimento das misturas betuminosas foi o foco do estudo. Posteriormente, avaliou-se a capacidade de recuperação de resistência das misturas através de múltiplos ciclos compostos por ensaios de caraterização mecânica (fadiga e fratura) e ensaios de indução por micro-ondas. Os resultados de indução nos provetes cilíndricos foram muito encorajadores, visto que se notou que o ASIC e as fibras promoveram temperaturas de regeneração mais altas do que nas misturas convencionais para o mesmo tempo de indução. Relativamente aos ensaios de caraterização mecânica, o dano induzido pelo ensaio de fratura foi recuperado de forma bem mais significativa na mistura betuminosa com ASIC. Nos restantes ensaios mecânicos, na determinação da resistência à fadiga e do módulo de rigidez, verificou-se que o ganho de vida à fadiga derivado da recuperação do módulo de rigidez após regeneração por indução ocorreu em todas misturas. No entanto, a mistura que incorporava apenas fibras metálicas apresentou os piores resultados. Palavras-chave: Misturas betuminosas; Resíduos industriais; Agregado de escória siderúrgica; Autorregeneração; Indução por Micro-ondas. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos vi Use of steel by-products as an enhancer element for pavement repair solutions ABSTRACT The urgency to mitigate energy and natural resources consumption has led the paving industry to change its current production paradigm by promoting the development of new materials and repair solutions that increase the durability and quality of road infrastructures in an economically sustainable way. Thus, the present dissertation aims to study the influence of applying industrial by-products (steel slag and metallic fibers) as enhancing elements for road pavement repair solutions. The repair process, resulting from heating the asphalt mixtures, was simulated with an induction piece of equipment (microwave), with subsequent evaluation of the self-healing ability through mechanical characterization tests. Three asphalt concrete (AC14) mixtures were produced in this work, a conventional or control one, another with metallic fibers and, finally, one composed of steel slag aggregates (ASIC) and metallic fibers. In the beginning, the study’s focus was the effectiveness of microwave induction for heating asphalt mixtures. Subsequently, the capacity to recover the mixtures’ strength was evaluated through multiple cycles composed of mechanical characterization tests (fatigue and fracture) and microwave induction tests. The induction results in the cylindrical test specimens were very encouraging since it was noticed that ASIC and fibers promoted higher healing temperatures than in conventional mixtures for the same induction time. The fracture test’s damage was significantly recovered in the asphalt mixture with ASIC regarding the mechanical characterization tests. In the bending beam tests, carried out to determine the fatigue resistance and the stiffness modulus, it was found that the fatigue life gain derived from the recovery of the stiffness modulus after induction healing occurred in all mixtures. However, the mixture that incorporated only metallic fibers presented the worst results. Keywords: Asphalt mixtures; Industrial waste; Steel slag aggregates; Self-healing; Microwave induction. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos vii INDÍCE 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 1 2. REVISÃO DA LITERATURA .............................................................................................................. 5 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos viii 3. MATERIAIS E METODOLOGIA DE ESTUDO ................................................................................... 39 4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS ................................................................................... 67 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos xv Figura 75 - Nível de autorregeneração (HL) dos provetes semicirculares nos quatro ensaios realizados (1º ensaio antes da indução; 2º a 4º ensaios após 1º a 3º ciclo de indução) .......................................................................................................................... 88 Figura 76 - Variação das temperaturas médias de indução dos provetes semicirculares de cada mistura ........................................................................................................................... 89 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos xvi LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Tipologias de pavimentos rodoviários (adaptado de Branco et al., 2016) ............................. 5 Tabela 2 - Quantidade de misturas betuminosas recuperadas nas infraestruturas rodoviárias (adaptado de EAPA, 2020) .............................................................................................. 13 Tabela 3 - Especificações do betume convencional de penetração normal 35/50 .............................. 41 Tabela 4 - Critérios para realização do ensaio de penetração de betumes .......................................... 43 Tabela 5 - Temperaturas médias de compactação das misturas betuminosas .................................... 51 Tabela 6 - Resultados dos ensaios de penetração e do ponto de amolecimento do betume ................ 68 Tabela 7 - Composição granulométrica das misturas betuminosas .................................................... 72 Tabela 8 - Percentagens de ligante consideradas nas misturas betuminosas ..................................... 73 Tabela 9 - Caraterização volumétrica das misturas betuminosas........................................................ 74 Tabela 10 - Valores médios da energia de fratura em cada ensaio para cada mistura betuminosa ..... 87 Tabela 11 - Temperaturas atingidas na indução das vigas ............................................................... 100 Tabela 12 - Dados e resultados do ensaio de resistênca à fadiga ..................................................... 101 Tabela 13 - Temperaturas atingidas na indução dos provetes semicirculares ................................... 102 Tabela 14 - Dados e resultados do ensaio de rotura por flexão em três pontos ................................. 103 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 1 1. INTRODUÇÃO 1.1. Enquadramento temático A rede rodoviária constitui a infraestrutura de transportes mais relevante para o desenvolvimento global de qualquer país. Portugal, nos últimos 30 anos, tem desenvolvido em grande escala a sua rede rodoviária nacional e, atualmente, segundo dados da Infraestruturas de Portugal (2016), possui uma exploração de 17874 km, e a grande maioria da rede é constituída por pavimentos do tipo flexível. Este tipo de pavimentos requer ações frequentes de manutenção e de reabilitação devido às ações (tráfego e condições climáticas) a que são constantemente submetidos durante o seu período de vida útil, de forma a assegurar a circulação de veículos em segurança e conforto. Caso não haja ações de reabilitação, o envelhecimento do betume e a mudança das propriedades físico-químicas das misturas betuminosas ocorre de forma mais agravada (Aurstad et al. , 2016). Consequentemente, a rigidez da mistura betuminosa aumenta, a sua capacidade de relaxação diminui e o betume torna-se mais frágil, levando assim ao aparecimento de micro fendas. Em seguida, a coalescência e a acumulação dessas micro fendas leva à formação de macro fendas que posteriormente se propagam e resultam na falha total do betão betuminoso (BB) (Onifade e Birgisson, 2017). Quando surge uma microfissura no betão betuminoso é possível que esta feche naturalmente graças às propriedades viscosas do betume. Quando o betume está entre 30 e 70 °C comporta-se como um fluído Newtoniano e, por capilaridade, consegue fluir pela fenda até a preencher, contribuindo assim para um processo autorregeneração, desde que haja tempo suficiente (dias) nesse intervalo de temperaturas e de preferência sem tráfego (García et al. , 2013, Garcia et al. , 2015). Na atualidade, a importância crescente da economia circular e dos seus conceitos associados nas tomadas de decisão por parte dos agentes governamentais de cada país tem sido bem significativa e preponderante. Nesse sentido, a União Europeia (UE) tem apoiado a investigação, a inovação e o investimento em certos setores prioritários de maneira a procurar implementar de forma completa o ciclo da economia circular, sendo um dos objetivos ter uma Europa sustentável até 2030 (European Commission, 2019). Partindo desses princípios, Araújo et al. (2014) já defendiam que a política de dimensionamento e gestão das infraestruturas rodoviárias deveria mudar, passando a valorizar tanto as componentes técnicas e económicas como as componentes ambientais e sustentáveis. Nessa perspetiva, fomenta-se cada vez Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 2 mais a utilização de novos métodos que visem a diminuição das emissões de CO2 para atmosfera, o decremento do uso de materiais virgens e o reaproveitamento de resíduos na construção. Nos últimos anos, têm sido feitos diversos estudos científicos baseados na incorporação de resíduos industriais nas misturas para substituírem de forma parcial ou total certos materiais virgens. Por exemplo, Tarbay et al (2019) apresentaram a utilização de alguns resíduos (lamas de corte de mármore ou granito) e subprodutos (escória de aço) como alternativa ao filer convencional. Outro exemplo, recentemente estudado, foi a substituição parcial do betume por resíduos de poliestireno em misturas betuminosas (Marta et al. , 2019). No seguimento da mesma linha de investigação, mas tendo como aspiração a descoberta de novos métodos de reparação de misturas betuminosas, na presente dissertação procurou-se desenvolver misturas betuminosas com propriedades de reparação melhoradas e que incorporem resíduos industriais (escórias de aço) e fibras metálicas. Para atingir essa meta, avaliou-se se os resíduos industriais adicionados são potenciadores do aumento da capacidade de autorregeneração do betão betuminoso quando este é induzido por um equipamento de aquecimento por micro-ondas, ao permitir aumentar mais rápido a temperatura da mistura betuminosa. Com este tipo de novas soluções tecnológicas procura-se otimizar o período de vida das misturas betuminosas, reduzindo assim o número de intervenções a serem efetuadas ao longo do tempo e contribuindo paralelamente para um desenvolvimento mais sustentável e com um menor impacto ambiental. 1.2. Objetivos e metodologia A presente dissertação tem como objetivo estabelecer o desenvolvimento e o estudo de novas técnicas de reparação de pavimentos flexíveis em infraestruturas rodoviárias, segundo ideias inovadoras e eficazes sustentadas por princípios técnicos, económicos, sociais e ambientais. O principal objetivo do trabalho experimental é estudar a incorporação de subprodutos industriais (escória do aço e fibras de aço) como elementos potenciadores de soluções de reparação de pavimentos e avaliar qual a influência destes materiais no aquecimento de misturas betuminosas com um micro-ondas. Além destes materiais serem bons condutores elétricos e de contribuírem assim para a indução, a sua utilização na indústria dos pavimentos permite criar um valor acrescentado para esses subprodutos, contribuindo igualmente para uma maior eficiência ambiental e energética dos processos construtivos. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 3 De forma a atingir os objetivos mencionados e a gerar novos conhecimentos, inicialmente foi feita uma pesquisa bibliográfica referente às principais caraterísticas dos pavimentos rodoviários. Posteriormente, analisou-se as metas e os objetivos definidos por organismos governamentais, especificamente na área de pavimentos rodoviários, de maneira a que o planeta tenha atividades com um menor impacto económico e ambiental, contribuindo assim para a transição para uma economia totalmente circular. Por último, pesquisou-se artigos científicos relacionados com a utilização do Agregado Siderúrgico Inerte para Construção (ASIC) em substituição de agregados naturais na área da pavimentação, e com a autorregeneração ( self-healing , na terminologia Anglo-Saxónica) em misturas betuminosas e a forma como esta pode ser potenciada pela utilização de resíduos industriais (ASIC e fibras). Após a revisão da literatura, procedeu-se à definição da formulação das misturas betuminosas, dos ensaios laboratoriais a realizar e dos resultados que se pretendem alcançar a nível laboratorial, para depois, numa fase final da dissertação, se efetuar as devidas considerações e análise sobre o trabalho desenvolvido. Sumariamente, estes são os objetivos e a metodologia de trabalho desta dissertação de mestrado, que estão associados a um projeto de investigação muito mais abrangente e que está agora em curso e que auxiliará o desenvolvimento desta dissertação, respetivamente em questões de materiais e equipamentos que podem vir a ser úteis no desenvolvimento da mesma. 1.3. Organização da dissertação Esta dissertação está dividida em cinco capítulos essenciais para responder ao tema proposto em estudo. Então, o primeiro capítulo apresenta um enquadramento temático da dissertação, os seus objetivos e a metodologia adotada para a execução da mesma. No segundo capítulo, inicia-se o corpo principal do trabalho, faz-se uma breve revisão dos conhecimentos sobre pavimentos flexíveis e misturas betuminosas. Aborda-se também as necessidades para a transição da economia linear para uma economia circular, e analisa-se os trabalhos de investigação existentes sobre o ASIC e a sua utilização na área de pavimentação. Por fim, neste capítulo também se apresentam alguns métodos já existentes ou em desenvolvimento para estudo da regeneração em misturas betuminosas. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 4 No terceiro capítulo são descritos os materiais utilizados na formulação das misturas betuminosas, apresentam-se os métodos utilizados para a produção e caraterização das mesmas e identificam-se a os diferentes ensaios usados no programa experimental com uma breve descrição dos mesmos. No quarto capítulo faz-se uma análise dos resultados dos ensaios laboratoriais realizados, começando pela caraterização das misturas betuminosas até à exposição dos resultados obtidos nos ensaios de fadiga e de fratura em misturas betuminosas que foram submetidas a ciclos de indução por radiações micro-ondas. Assim, é possível compreender em concreto os resultados de se ter aplicado a metodologia explicitada no capítulo anterior. Finalmente, no quinto capítulo apresentam-se as considerações finais, incluindo as conclusões retiradas do trabalho efetuado, que respondem aos seus objetivos, e também se sugere a realização de alguns trabalhos futuros que poderão ser realizados nesta temática. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 5 2. REVISÃO DA LITERATURA 2.1. Constituição e comportamentos dos pavimentos rodoviários Um pavimento rodoviário tem como função primordial assegurar uma superfície que permita a circulação de todo o tipo de veículos com segurança e comodidade, durante um período de vida útil do mesmo, sabendo que este está sujeito a ações de tráfego e a ações climáticas prejudiciais (Branco et al. , 2016). A um pavimento devem-se exigir algumas qualidades, das quais se destacam duas, a qualidade funcional e a qualidade estrutural. A primeira está relacionada com os requisitos que os utentes impõem, o conforto e a segurança na circulação. Por sua vez, a segunda qualidade está relacionada com a capacidade de o pavimento suportar as cargas dos veículos sem sofrer alterações para além dos valores limites definidos em projeto (Pais et al. , 2000). Relativamente à sua constituição, um pavimento pode ser considerado um sistema multiestratificado, formado por diversas camadas de espessura finita, sustentadas na fundação pelo terreno natural, o qual pode ter um coroamento de qualidade melhorada (leito do pavimento) caso seja necessário (Pereira e Miranda, 1999). Da associação das camadas constituídas por diferentes materiais resultam naturalmente os diferentes tipos de pavimentos e daí, em função das cargas e das condições climáticas que se esperam, define-se o tipo de pavimento ideal para determinado local. Os pavimentos rodoviários podem ser classificados com base em dois critérios, o tipo de material utilizado e a deformabilidade do respetivo pavimento (Tabela 1). Tabela 1 - Tipologias de pavimentos rodoviários (adaptado de Branco et al., 2016) Tipo de Pavimento Materiais (ligante) Deformabilidade Flexível Hidrocarbonatos e granulares Elevada Rígido Hidráulicos e granulares Muito reduzida Semirrígido Hidrocarbonatos, hidráulicos e granulares Reduzida Em Portugal, na grande maioria das infraestruturas de transporte rodoviário utilizam-se os pavimentos do tipo flexível. Um pavimento rodoviário é composto então pela fundação (terreno natural e leito do pavimento) e pelo corpo do pavimento (camadas granulares e camadas ligadas por um ligante betuminoso ou hidráulico). As camadas granulares têm basicamente uma função mais estrutural, cujo objetivo passa pela Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 6 degradação das cargas atuantes, para resistir às deformações permanentes e garantir uma adequada drenagem, enquanto as camadas com ligantes betuminosos (pavimentos flexíveis) têm funções estruturais e de regularização do pavimento, garantindo assim a comodidade e a segurança necessária para a circulação dos veículos. Estas camadas também contribuem para a degradação das cargas atuantes, e são particularmente importantes na resistência ao fendilhamento por fadiga dos pavimentos, pois suportam as ações solicitantes apesar das deformações das camadas inferiores, e ainda têm um excelente papel na impermeabilização das camadas subjacentes. Por fim, as camadas ligadas por ligantes hidráulicos, presentes nos pavimentes rígidos ou semirrígidos, desempenham funções de caráter estrutural e de regularização, contribuindo assim para qualidade estrutural e para a qualidade funcional do pavimento (InIR, 2009). De salientar que as diferentes camadas se dispõem, de um modo geral, com qualidade e resistência decrescente, de cima para baixo, em consonância com as progressivas reduções dos esforços em profundidade. Pavimentos flexíveis Os pavimentos flexíveis possuem, normalmente, um número máximo de três camadas betuminosas, sendo elas a camada de desgaste ou superficial, a camada de ligação ou regularização e a camada base. Adicionalmente, existem uma ou duas camadas granulares e o solo de fundação, camadas essas que existem em qualquer tipo de pavimento (Figura 1). Figura 1 - Constituição de um pavimento flexível (adaptado de Silva, 2005) A camada de desgaste tem essencialmente as funções de resistir às ações do tráfego e do clima. A camada de ligação serve de suporte à camada sobrejacente e contribui para a resistência estrutural do Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 7 pavimento. Por fim, a última camada betuminosa, a camada de base, tem fundamentalmente uma função estrutural (Silva, 2005). No entanto, a constituição destes tipos de pavimentos pode ser diversa, pois estes são projetados e definidos em função da intensidade do tráfego, da resistência do solo de fundação e das caraterísticas dos materiais disponíveis que variam em função das condições climáticas do local. Além desses fatores, a componente económica é outro fator importantíssimo para definir o número e as respetivas espessuras das camadas do pavimento. Assim sendo, quando o tráfego é reduzido e se dispõe de materiais granulares de boa qualidade no local a um preço reduzido, os pavimentos são projetados e construídos com preponderância nas camadas granulares. Caso contrário, se o tráfego for intenso e numa região sem materiais granulares de qualidade, será necessário construir um pavimento com uma estrutura preponderante de camadas betuminosas e, só por aí, esperar-se-á um custo total da estrutura do pavimento bem superior à anterior. Este tipo de pavimentos flexíveis apresentam uma elevada deformabilidade (250 a 500 µm), e a cada carga solicitante, verifica-se um estado de tensão de compressão na parte superior das camadas betuminosas e de tração na sua parte inferior. O pavimento é dimensionado para garantir o maior número de ciclos de carga possível, sempre com o compromisso da melhor relação entre o tempo de vida e o investimento económico. Então, aquando a formalização do projeto da estrutura do pavimento, para cada camada deve-se indicar a sua espessura, o material que a constitui e os valores típicos das caraterísticas de deformabilidade (ou seja, módulo de rigidez e coeficiente de Poisson ). Relativamente aos pavimentos flexíveis, também se deve atender às condições fronteira entre as camadas betuminosas, que em grande parte resultam da aplicação de uma “rega de colagem” entre as respetivas camadas. Esta deve ser executada com a colocação de emulsões betuminosas entre camadas e deve seguir regras específicas de aplicação. Este processo é fundamental para garantir um funcionamento contínuo de transmissão de tensões ao pavimento, permitindo assim uma melhor resistência à fadiga. Caso as camadas estejam “descoladas” entre si, o estado de tensão é muito mais severo que o verificado com interfaces entre camadas “coladas”, e a probabilidade de aparecimento de certas patologias no pavimento é bem maior (Branco et al. , 2016). Face às ações (tráfego e agentes atmosféricos) que estes pavimentos sofrem ao longo do seu ciclo de vida, naturalmente estão sujeitos ao aparecimento de várias patologias, algumas que provêm mais das camadas betuminosas, enquanto outras advêm das camadas granulares. Algumas das principais famílias de degradações dos pavimentos rodoviários são as deformações (abatimento, ondulação e rodeiras), o Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 8 fendilhamento (fendas isoladas ou pele de crocodilo), a desagregação de materiais (cabeça de gato, pelada e covas) e o movimento de materiais (exsudação e subida de finos) (Pereira e Miranda, 1999). Face aos esforços geralmente instalados nos pavimentos flexíveis, estes apresentam dois estados últimos de ruína, um de fendilhamento das camadas betuminosas e outro de deformação permanente da fundação (Freitas, 2004). Estes pavimentos também são suscetíveis a diferentes tipos de degradações nas camadas superiores ao longo do tempo, e daí estes terem a necessidade de sofrer intervenções de conservação e reabilitação, de preferência de em menores intervalos de tempo. Misturas betuminosas As misturas betuminosas são constituídas por um conjunto de materiais granulares doseados de forma ponderal ou volumétrica, que são misturados com uma certa quantidade de ligante betuminoso previamente determinado numa central betuminosa própria para a produção destas misturas. Em seguida, a mistura é transportada para o local da obra, onde se a espalha e compacta constituindo assim uma camada do pavimento. Atendendo ao tipo de camada a construir, as exigências são naturalmente diferentes. Por um lado, pode-se procurar garantir principalmente boas caraterísticas mecânicas, ou, por outro lado, utilizar misturas que apresentem essencialmente uma boa aptidão para garantir boas condições de segurança e comodidade para os utentes. Porém, em qualquer um dos casos, devem ser garantidos determinados critérios de economia, durabilidade e facilidade de execução para que a mistura a desenvolver seja eficaz e economicamente viável ao longo do seu período de vida. De um ponto de vista geral, na produção das misturas betuminosas deve-se considerar sempre algumas exigências nas seguintes caraterísticas das mesmas: estabilidade, durabilidade, flexibilidade, resistência à fadiga, aderência, impermeabilidade e trabalhabilidade (Asphalt Institute, 1983). O ligante betuminoso geralmente ocupa entre 10% a 15% do volume da mistura betuminosa e pode ser um destes três tipos de ligantes: 1) betumes puros, 2) emulsões betuminosas, 3) betumes modificados (Lopes, 2009). Na presente dissertação apenas de utilizaram betumes puros, pelo que apenas se fará uma abordagem deste tipo de ligante. Os betumes puros são obtidos por destilação direta do petróleo bruto, formando uma mistura química muito complexa de moléculas de natureza predominantemente hidrocarbonada. Estes ligantes betuminosos proporcionam ligações tenazes e flexíveis aos materiais com eles tratados, pois o betume é um material viscoelástico e o seu comportamento varia com a velocidade de aplicação das cargas, permitindo assim comportar-se como um material flexível, com baixo módulo Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 15 setores industriais adequar as suas atividades em função da legislação em vigor. Nesse contexto, de modo a satisfazer as metas de valorização de resíduos definidas no âmbito do programa Portugal 2020, o Decreto-Lei nº18/2008 impôs a incorporação de pelo menos 5% de resíduos em obras de construção e manutenção de infraestruturas. Deste modo, as indústrias são incentivadas a reclassificarem os seus resíduos não como um objeto sem valor, mas como um potencial recurso a ser valorizado. Partindo desses princípios, nesta dissertação definiu-se o objetivo de estudar misturas betuminosas com a utilização da escória de aciaria, proveniente da produção do aço, como um substituto do agregado convencional. Tendo em consideração que as suas propriedades mecânicas se assemelham às dos agregados naturais e que este resíduo é produzido em quantidades significativas, a sua incorporação em pavimentos permite diminuir o volume desse material depositado em aterro, promovendo o desenvolvimento sustentável (Nascimento et al. , 2018). A atividade de produção de aço teve um grande crescimento nas últimas décadas e não tem parado de aumentar em termos globais, ainda que se denote na última década uma particular expansão em determinados países asiáticos, principalmente na China e no Japão. Contrariamente, na Europa verificou-se alguma estagnação e até um retrocesso da atividade desta indústria para o mesmo período em análise (World Steel Association, 2020c). A nível mundial a produção de aço entre 1975 e 2019 teve um aumento de mais de 290%, registando em 2019 uma produção de cerca de 1869 milhões de toneladas. Ao longo deste período, a China foi dos países que mais cresceu na sua produção de aço bruto, produzindo em 2019 cerca de 996342 milhares de toneladas de aço bruto, o que representa cerca de 53% da produção mundial (World Steel Association, 2020d), tal como se pode ver na Figura 3. Para um período mais curto de análise, entre 2010 e 2019, em Portugal também se verificou um aumento considerável na produção de aço bruto, cerca de 130%, produzindo atualmente 2033 milhares de toneladas (World Steel Association, 2020c). Um dos problemas da indústria siderúrgica é a quantidade de subprodutos que são originados na produção do aço, dos quais se destacam as escórias de alto-forno, as escórias de aciaria, gases, poeiras e petroquímicos. Nos últimos vinte anos, a taxa de recuperação destes resíduos aumentou significativamente, pois têm sido feitos vários investimentos em tecnologias inovadoras e sinergias com outras indústrias de modo que a indústria do aço se aproxime do objetivo zero-waste (World Steel Association, 2020b). Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 16 Figura 3 - Distribuição da produção de aço bruto em 2019 (World Steel Association, 2020d) Segundo a Euroslag , associação europeia dos produtores e transformadores de escórias, em 2018 eram produzidas na Europa, anualmente, cerca de 16 milhões de toneladas de escórias de aciaria ( Blast Oxygen Furnace - BOF, Electric Arc Furnace - EAF e secundárias) e cerca de 19 milhões de toneladas de escórias de alto forno ( Blast Furnace Slag - BFS). Das escórias anteriormente mencionadas, cerca de 70% e 17%, respetivamente, eram utilizadas em infraestruturas rodoviárias (Euroslag, 2021). De acordo com a European Aggregates Association , a área das construções rodoviárias absorve pelo menos 10% de todos os agregados naturais extraídos (Association, 2020). Assim sendo, a substituição parcial ou total dos agregados naturais pelas escórias siderúrgicas no fabrico de misturas betuminosas contribuirá de uma forma significativa para um desenvolvimento mais sustentável e, além disso, nos últimos tempos vão sendo apresentados alguns estudos que comprovam a utilização de escórias como uma excelente alternativa na área da pavimentação rodoviária (Fortunato et al. , 2018, Freitas e Motta, 2008, Lima, 2000) No âmbito desta dissertação, procurar-se-á então dar mais um contributo para a valorização e reutilização do Agregado Siderúrgico Inerte para Construção (ASIC), resultante das escórias de aciaria, na área da pavimentação, evitando assim que o seu destino possa ser maioritariamente o depósito em aterros. Para além das suas excelentes caraterísticas técnicas, ambientais e económicas já validadas, também se procurará verificar se o ASIC pode funcionar como um elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos, para acrescentar ainda mais valor a este subproduto industrial. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 17 Produção do aço A indústria de produção do ferro e do aço possui uma estrutura bastante complexa. No entanto, existem poucas tipologias diferentes de produção no mundo (Figura 4) e, além disso, os recursos de energia e de matérias-primas são semelhantes (He et al. , 2020). Figura 4 - Etapas de produção do aço nos diferentes fornos (adaptado de World Steel Association, 2020a) Globalmente, a produção do aço pode ser dividida em dois tipos de siderurgia: i) a siderurgia integrada, onde as matérias primas são o minério de ferro e o carvão, e, ii) a siderurgia semi-integrada, onde se utiliza a sucata ferrosa para fusão (Branco, 2004). Existem três tipos de fornos para a produção do aço, o Siemens-Martin ( Open Heart - OH), o conversor a oxigénio ( Basic Oxigen Furnace - BOF) e o forno de arco elétrico ( Electric Arc Furnace - EAF) (Ferreira, 2010). Os fornos OH e BOF são exemplos de siderurgias integradas e os fornos EAF são um exemplo de siderurgias semi-integradas. Na rota de produção do aço no BOF, de uma forma sucinta, o minério de ferro (70 a 100% da matéria-prima total) é primeiramente processado em ferro (ferro fundido). Em seguida, o ferro fundido é convertido em aço num conversor e, por fim, após os processos de refinação, fundição e laminação, o aço é entregue em diversas formas (He et al. , 2020). Na rota de produção do aço no EAF, a matéria-prima utilizada é o aço reciclado (70% da matéria-prima total) e alguns componentes, tais como ligas metálicas e cal, que podem ser adicionadas para ajustar a Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 18 composição química do aço. Posteriormente, a matéria-prima total é então derretida nos fornos elétricos e, por último, passa pela fase de afinação que é composta por três etapas, a primeira correspondente ao período de oxidação, a segunda ao de redução e a terceira ao do ajuste final da composição. Por fim, também passa por processos de conformação mecânica semelhantes à outra rota antes de ser entregue ao cliente final (He et al. , 2020). Os fornos OH praticamente já não são usados, pois apenas 0,3% da produção mundial de aço em 2019 foi realizada neste tipo de forno. Os BOF são os maiores produtores mundiais, muito por causa da China, que sendo de longe o maior produtor mundial de aço, produz 90% do seu aço através deste tipo de fornos. Os EAF são os principais produtores de aço nos Estados Unidos, com quase 70% do aço a ser produzido nestes fornos. Na União Europeia, embora os fornos conversores de oxigénio sejam os mais utilizados, ainda se produz cerca de 41% do aço através dos fornos de arco elétrico (Figura 5). Figura 5 - Distribuição do tipo de fornos para produção do aço (adapatado de World Steel Association, 2020c) Os tipos de fornos utilizados por cada país no mundo têm sofrido algumas mudanças, pois cada vez mais se tem apostado na transição para os fornos EAF, justificada pela enorme vantagem ambiental e económica. Ambientalmente, estes fornos apresentam um menor consumo em energia (-74%), em matérias-primas (-90%) e em água (-40%) e ainda reduzem em 97% os desperdícios/resíduos da extração mineira. Economicamente, a instalação dos fornos EAF custam quatro vezes menos, os custos de operação e manutenção anual reduzem em cerca 7% e também há um menor investimento para reduzir a poluição ambiental (BIR, 2015). Neste contexto, do ponto de vista da economia circular e de um desenvolvimento mais sustentável, a China tem um papel fulcral. Este país é o maior produtor mundial de aço, nos BOF e nos EAF, mas a 0.0% 58.7% 30.3% 89.6% 71.6% 100.0% 41.3% 69.7% 10.4% 27.9% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.3% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.2% PORTUGAL UNIÃO EUROPEIA EUA CHINA MUNDO BOF EAF OH Outros Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 19 quantidade de aço produzido na China nos EAF em 2019 apenas representava 10% da produção total (Figuras 5 e 6). Assim, se a China mudar a sua produção de aço para sistemas semi-integrados, os benefícios para o mundo poderão ser enormes do ponto de vista ambiental e económico. Figura 6 - Influência da China na Produção de aço bruto no Mundo nos BOF e EAF (adaptado de World Steel Association, 2021) Agregado siderúrgico inerte para construção (ASIC) A indústria do aço tem feito esforços significativos para encontrar novos mercados e aplicações para subprodutos da produção do aço, que incluem as escórias, gases de processo, alcatrão e benzeno (World Steel Association, 2015) Das escórias produzidas, há dois tipos que são geradas em maior escala, as escórias de alto forno e as escórias de aciaria (Ferreira, 2010). Estas são um coproduto resultante da separação da parte metálica contida nos minérios de ferro ou nas sucatas ferrosas das restantes “impurezas” (Andrade, 2015). A variabilidade das caraterísticas e propriedades das escórias dependem no essencial de certos fatores, nomeadamente, o processo utilizado na produção do aço, o tipo de matéria-prima utilizada, a especificação do aço produzido e o processamento e tipo de arrefecimento dado as escórias (Machado, 2000). As escórias são um subproduto obtido a partir de uma destas fontes (Martinho et al. , 2007): • Alto-forno – escórias líquidas que solidificam granulando por arrefecimento brusco quando lançadas em tanque de água, ou por arrefecimento lento se expostas apenas ao ar, ou ainda por um processo misto que utiliza ar e água, dando assim origem a um aglomerado de escórias; 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 [Mt] [Anos] World BOF World EAF World BOF - China World EAF - China Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 20 • Forno de arco elétrico – escórias de aciaria resultantes da fusão de sucata metálica que podem ser aproveitadas depois da remoção dos elementos metálicos incluídos na escória inicial; • Conversor – escórias constituídas essencialmente por óxidos resultantes da injeção do oxigénio puro na gusa líquida proveniente da primeira fundição que vem do alto-forno (podem estar misturadas com as escórias de forno-elétrico). No seguimento desta dissertação apenas serão apresentadas com algum pormenor as caraterísticas das escórias de aciaria, visto que apenas estas são objeto do presente estudo. Escórias de aciaria e o seu processamento Atualmente, em Portugal operam duas siderurgias semi-integradas, uma que se situa em Paio Pires, Seixal (SN Seixal), e a outra em S. Pedro de Fins, na Maia (SN Maia), que pertencem à Siderurgia Nacional (Cross et al. , 2011). Ambas as siderurgias contêm fornos de arco elétrico para produção de aço, daí que as escórias resultantes são as de aciaria. A Siderurgia Nacional foi privatizada em 2001, data que divide duas eras distintas de produção de aço em Portugal e, por conseguinte, justifica a existência de escórias completamente diferentes. Antes de 2001 também se produziam escórias de alto-forno, mas desde esse ano para cá, apenas passaram a ser produzidas escórias de aciaria (Ferreira, 2010). As escórias de aciaria elétricas são obtidas em fornos de arco elétrico durante a conversão de sucata ferrosa em aço. Estas tanto podem ser oxidantes (produzida pela injeção de oxigénio no aço fundido para oxidar o carbono, silício e enxofre), denominadas como escórias negras, como podem ser redutoras, vulgarmente designadas por escórias brancas. As redutoras dão-se após o vazamento da escória oxidante através da adição de óxido de cálcio (Machado, 2000). Durante o processo de produção do aço é eliminado carbono, óxido de cálcio e iões de alumínio, silício e fósforo e, desse modo, todos esses elementos eliminados fazem parte da composição da escória de aciaria (Ziemkiewicz, 1998). Portanto, dentro dos elementos que formam a escória estão silicatos de cálcio (CaSiO3), óxido de silício (SiO2), ferrita cálcica (CaFe2O4), óxido de magnésio (MgO), óxido de cálcio, entre outros (Martinho, 2014). Da indústria siderúrgica resultam em média, por cada tonelada de aço líquido, cerca de 11 a 15% de escórias negras e 2 a 3% de escórias brancas (Correia et al. , 2006). Dos dois tipos de escórias (brancas e negras) resultantes da produção do aço, só as escórias negras são potencialmente valorizáveis em infraestruturas de transporte (pavimentos) e em obras geotécnicas. A utilização de escórias brancas não Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 21 é benéfica para estes tipos de aplicações pois apresentam teores em cal muito elevados (Ferreira, 2010). Assim, na presente dissertação de mestrado, o termo escória de aciaria passa a ser utilizado como sinónimo de escória de aciaria negra. Tendo em vista a valorização destes resíduos em ASIC, primeiramente, as escórias de aciaria têm de passar por um processo de processamento. De forma sucinta, este processo é feito em seis etapas, nomeadamente, o arrefecimento primário e secundário, a eliminação das componentes metálicas, a parte da fragmentação e da crivagem e, por fim, a neutralização da cal livre de modo a eliminar uma possível expansão do ASIC após a sua aplicação em obra. Este processamento é mais dirigido e vocacionado para uma posterior utilização do material nas obras de engenharia civil, principalmente nos ramos da geotecnia e da pavimentação. As etapas do processamento da escória anteriormente enunciadas podem ser divididas em três fases (Roque et al. , 2006): 1.ª Procede-se ao escoamento e ao arrefecimento da escória para um local impermeabilizado e com uma respetiva drenagem devidamente controlada (Figura 7a e 7b). O arrefecimento primário pode ser executado ao ar ou através de jatos de água ou de forma mista. Esta etapa é muito importante para o controlo da porosidade e da textura da escória. Caso o arrefecimento seja muito rápido, o material terá menor densidade e, por conseguinte, uma maior porosidade. Se o arrefecimento for lento, o material terá uma estrutura mais cristalina e maior resistência. 2.ª Em seguida, o arrefecimento secundário é a última etapa do arrefecimento que é feita de igual forma, mas já num local onde a “escória não processada” (código 10 02 02, segundo a Lista Europeia de Resíduos ou LER, Portaria n.º 209/2004) possa ser armazenada (Figura 7c). Nesta fase, com o auxílio de tambores magnéticos, retira-se a componente metálica mais grossa que ainda possa estar presente na escória (Figura 7d). Esse material ferroso é encaminhado novamente para a alimentação do forno de arco elétrico. Após isso, faz-se o processamento de britagem e crivagem da escoria catalogada como “resíduos do processamento de escórias” (código 10 02 01 da LER). 3.ª Na última fase, é feita a valorização da escória de aciaria, crivando-se o ASIC. Primeiramente, faz-se a separação granulométrica pelo método da peneiração até se produzir a granulometria desejável (Figura 7e). Por último, realiza-se o armazenamento e o acondicionamento do ASIC por um período mínimo de 2 a 3 meses. Este deve ser feito de modo que exponha o material aos agentes atmosféricos, nomeadamente para a sua hidratação e para eliminar alguma cal livre que exista na sua composição (Figura 7f). Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 22 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 7 - Fases do processamento das escórias (Roque et al., 2006) As escórias de aciaria são produzidas pela Siderurgia Nacional-EPL, S.A., mais especificamente pela Harsco Environmental, e o seu processo de controlo de produção em fábrica é certificado pela Certif de acordo o Regulamento da EU nº 305/2011, segundo as normas EN 13242 de 2007, EN 13043 de 2002 e EN 13043 de 2004, de modo a cumprir todos os requisitos necessários para a sua reutilização. Caraterização química e física da escória de aciaria As escórias de aciaria são um subproduto industrial que é duro, rugoso, limpo, de densidade elevada e resistente à abrasão. A sua composição química e mineralógica depende de vários fatores, dos quais se destacam o processo de fabrico do aço e processamento dado a esse material. Do ponto de vista químico, as escórias são maioritariamente constituídas por silicatos de cálcio, óxido de ferro, óxido de magnésio, óxido de manganês e alumina, formando assim estes constituintes cerca de 95% da composição total (National Slag Association, 2014). Segundo dados bibliográficos, na composição mineralógica das escórias verifica-se que certas fases mineralógicas estão presentes, nomeadamente, a wustite, a hematite, kirschsteinite, akermanite, silicato de cálcio, ghelenite, entre outras (SAMARIS, 2006). No que concerne às propriedades físicas e mecânicas, este material apresenta valores de absorção de água entre 1 a 2% para material grosso e na ordem dos 4% para material fino, é um material com alta porosidade das partículas (pode ser superior a 10%) e comparativamente aos agregados naturais Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 23 apresenta uma densidade de partículas mais elevada (3,2 a 3,9). As escórias apresentam também níveis de durabilidade aceitáveis, têm um elevado ângulo de atrito interno (40° a 45°) que contribui para uma elevada estabilidade. Adicionalmente, possui um índice de suporte californiano ( California Bearing Ratio - CBR) elevado, acima dos 300%, e possui também uma elevada resistência à fragmentação (Lima, 2000, Martinho, 2014, Silva, 1994). Uma propriedade que também importa referir, neste caso indesejável, é a sua expansibilidade, pois esta material é bastante expansível devido à sua constituição e, portanto, é um ponto a ser estudado antes da sua possível aplicação em obra. Desse modo, devem-se estudar e usar metodologias que viabilizem a sua utilização em misturas betuminosas sem comprometer o desempenho estrutural do pavimento rodoviário, nomeadamente, métodos de estabilização da expansibilidade do ASIC (Andrade, 2015). Caraterização ambiental da escória de aciaria A escória do aço possui uma grande variabilidade de componentes na sua constituição química, podendo existir certas quantidades de materiais pesados que podem causar graves danos ambientais e para a saúde pública (Andrade, 2015). No sentido de valorização dos materiais alternativos, para além da exigida caraterização geotécnica, também é exigida a caraterização ambiental do mesmo, de acordo com ensaios laboratoriais e de campo, tendo esses como objetivo a identificação da existência de algum potencial poluente no material (SAMARIS, 2006). Neste contexto, para a caraterização ambiental das escórias, atualmente existem ensaios realizados in situ e ex situ . Em contexto laboratorial ( ex situ ), o ensaio normalmente utilizado na Europa é o ensaio de lixiviação de extração ou método descontínuo realizado segundo as normas europeias EN 12457-2 ou EN 12457-4. Existe outro ensaio de lixiviação, o ensaio de coluna, que segundo alguns estudos simula melhor o comportamento ambiental do ASIC observado em campo. Em contexto de campo ( in situ ), também existem ensaios de lixiviação, que são realizados com recurso a uma pré-instalação de lisímetros. Estes ensaios são menos conservativos do que os laboratoriais, pelo que o risco de inviabilização da reciclagem ou reutilização de alguns resíduos é menor (ALT-MAT, 1999). Além da composição química dos lixiviados, e para uma boa caraterização ambiental do produto, também se deve analisar o valor de pH e a condutividade elétrica, dada à influência destes parâmetros no meio ambiente. Para determinação do pH devem-se realizar ensaios de pH estáticos e a sua avaliação deve ser feita periodicamente (Reid, 2001). Normalmente, os valores de pH das escórias de aciaria variam entre 10 e 14 dado à presença de cal livre e, por conseguinte, estes materiais não devem estar próximos Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 24 de águas paradas. Além disso, quando este material é utilizado em estruturas, o desempenho estrutural pode ficar comprometido devido ao seu elevado pH, pois a presença deste pode levar à corrosão certos materiais (por exemplo, tubagens de alumínio ou galvanizadas) quando são colocados em contacto direto (Ferreira, 2010). Em Portugal, o ASIC produzido pela MEGASA-Siderurgia Nacional-EPL, S.A., mais especificamente pela Harsco Environmental, tem de cumprir todos os requisitos ambientais de forma a poder ser comercializado. Neste caso, a entidade DAP Habitat certificou o ASIC com a emissão de Declaração Ambiental do Produto (DAP), que tem a validade até 23-01-2024. Esta avaliação foi realizada segundo as normas ISO 14025, EN 15804 de 2013 e EN 15942. Ao longo destes últimos anos têm-se realizado vários estudos e caraterizações ambientais das escórias de aciaria noutros países. Por exemplo, um dos que mais se destacou foi realizado na Suécia, onde se avaliou a composição química de um lixiviado recolhido de um pavimento com a incorporação de ASIC nas camadas granulares após 10 anos de serviço. Constatou-se que as amostras retiradas quase não sofreram alterações, comparando com as amostras no estado inicial. Logo, estes resultados evidenciaram que a utilização do ASIC não provoca qualquer risco ambiental (Suer et al. , 2009). Em Itália, segundo um estudo de Sorlini et al. (2012), também se estudou a utilização de escórias dos fornos de arco elétrico em camadas betuminosas de base, sub-base e desgaste e verificou-se que, apesar de terem uma composição significativamente rica em cobre, bário, alumina, ferro e magnésio, os valores do lixiviado situaram-se expressivamente abaixo dos limites previstos na legislação desse país. Num estudo realizado recentemente em Portugal, fez-se a caraterização ambiental através de ensaios de lixiviação, numa primeira fase a ASIC e a agregados naturais graníticos e, em seguida, realizou-se o mesmo ensaio em misturas betuminosas de desgaste com os dois tipos de agregados. Com estes ensaios foi possível comparar a utilização de ASIC vs. agregados naturais. Os ensaios a ambos agregados mostram que todos os materiais respeitam os limites especificados no DL-183/2009 para deposição em aterro de inertes. Relativamente aos ensaios às misturas betuminosas, ambas também cumprem genericamente com os requisitos ambientais. Com esse estudo prevê-se que a utilização do ASIC em pavimentos rodoviários não apresente problemas ambientais do ponto de vista de lixiviação de componentes para as linhas de água ou lençóis freáticos (Nascimento et al. , 2018). Assim sendo, através de diversos estudos constata-se que a utilização e aplicação de escórias de aciaria em pavimentos rodoviários é ambientalmente segura. No entanto, a avaliação ambiental do ASIC deve Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 31 aquecidos com base nos princípios da lei de Joule. Dessa maneira, o calor gerado nos aditivos aumenta localmente a temperatura na envolvente dos mesmos, permite que o betume derreta e assim as microfissuras são preenchidas e as propriedades mecânicas da mistura são restabelecidas (Figura 13). Figura 13 - Regenaração por aquecimento por indução eletromagnética (adaptado de Gonzalez-Torre e NorambuenaContreras, 2020) Naturalmente, a taxa de eficácia do aquecimento por indução é dependente da frequência do campo magnético, das propriedades elétricas e térmicas e da permeabilidade magnética das misturas betuminosas (Apostolidis, 2015). Nos diversos estudos científicos que têm sido feitos neste tema, existem alguns parâmetros diferenciadores em cada estudo. Por exemplo, a percentagem de adição de fibras, o tipo de fibras, a frequência e a potência da corrente elétrica, a temperatura de aquecimento, a constituição da mistura e o tipo de medição utilizado para quantificar a autorregeneração. Em seguida, apresentam-se alguns estudos com as suas conclusões e considerações finais. Liu et al. (2012) estudaram a capacidade de regeneração em misturas betuminosas porosas com a incorporação de fibras de lã de aço. Utilizou-se 1,27% de fibras em relação à massa total da mistura e os resultados mostraram que o aquecimento por indução (50 kW e 70 kHz) aumentou a taxa de reparação das vigas betuminosas ensaiadas. Neste estudo também foi demonstrado que a temperatura ótima para a regeneração ronda os 85 °C e que a vida à fadiga da mistura betuminosa porosa aumentou significativamente (extensão num rácio de 63,9%), graças aos múltiplos períodos de indução. Num dos estudos mais recentes, Garcia et al. (2020) adicionaram 1,1% de fibras de lã de aço em relação ao peso total de uma mistura betuminosa porosa. O aquecimento por indução, claramente identificado na Figura 14, foi gerado por uma bobina com uma potência de 2,8 kW e uma frequência de 348 Hz com um período de indução de 90 segundos. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 32 (a) (b) Figura 14 - (a) Imagem infravermelha da viga ensaiada; (b) Evolução da temperatura superficial da viga ao longo do tempo (adaptado de Garcia et al., 2020). No mesmo estudo, a partir dos resultados obtidos num ensaio de fadiga em três pontos, mediu-se a eficácia de autorregeneração da mistura betuminosa. O objetivo desse estudo foi determinar o nível de dano que o aquecimento por indução seria capaz de recuperar ( Healing Index ), mediante a aplicação da indução ao fim de várias percentagens de vida de fadiga já consumidas. Com os resultados obtidos, concluiu-se que existe um momento ideal para aplicar a indução, que corresponde ao momento em que a extensão da vida de fadiga é máxima (Figura 15a). Em todos os casos, o momento ideal rondou os 35% de vida ou durabilidade total da mistura betuminosa (Figura 15b). Pela análise da Figura 15c também se concluiu que a extensão da viga de fadiga pode ser superior a 100%, e até a 200%, desde que o processo de indução seja aplicado no tempo certo (Nh = 0,35 × N0,5). (a) (b) (c) Figura 15 - (a) Esquema de extensão da vida à fadiga por meio de aquecimento por indução; (b) Índice de autorregeneração versus fração do dano; (c) Número ideal de ciclos para aplicar a indução (Nh) e o número extra de ciclos após indução (Nt) (adaptado de Garcia et al., 2020). Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 33 Aquecimento por indução com micro-ondas O aquecimento por micro-ondas usa as caraterísticas do material (condutividade elétrica, teor em água e propriedades dielétricas) para assegurar uma geração de calor rápida e direta no material (Dogan Halkman et al. , 2014). Este tipo de aquecimento é considerado como uma técnica promissora para promover a autorregeneração de misturas betuminosas com a adição de fibras metálicas. Com o aquecimento criase um campo magnético alternado e as moléculas polares mudam a sua orientação e o seu movimento natural é perturbado. Como resultado, a temperatura da mistura sobe, e com a adição das partículas ferrosas, a temperatura da mistura ainda aumenta de forma mais rápida devido à boa condutividade dessas partículas (Liu et al. , 2018). Assim, conforme já foi explicado anteriormente, com o aumento da temperatura do betão betuminoso, o ligante funde e preenche as micro fendas existentes por capilaridade, contribuindo assim para o processo de regeneração da mistura betuminosa. Norambuena-Contreras e Gonzalez-Torre (2017) realizaram um estudo com o objetivo de avaliar a influência do tempo do aquecimento por micro-ondas no comportamento de autorregeneração de misturas betuminosas (Figura 16a). Em contexto laboratorial estudaram quatro misturas betuminosas, onde usaram a mesma granulometria de agregados e o mesmo teor em betume, apenas variando a quantidade de fibras de lã de aço usadas (2, 4, 6 e 8% do volume total de betume). O processo de indução ocorreu por quatro períodos diferentes: 10, 20, 30 e 40 segundos. (a) (b) Figura 16 - (a) Ensaio de aquecimento por micro-ondas (b) Ensaio de flexão em três pontos (adaptado de NorambuenaContreras e Gonzalez-Torre, 2017) Para medir o nível de regeneração ( Healing Level - HL) do betão betuminoso, os autores usaram o ensaio de flexão em três pontos (Figura 16b). Submeteram os provetes de cada mistura ao ensaio, antes e depois da indução, repetindo este processo dez vezes. O HL foi calculado com base na Equação 1, pelo Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 34 quociente entre a máxima força resistente do provete de ensaio antes da indução (Fi) e a máxima força resistente após indução (Fr). 𝐻𝐻𝐻𝐻=𝐹𝐹𝑟𝑟 𝐹𝐹𝑖𝑖 (1) Deste estudo científico, Norambuena-Contreras e Gonzalez-Torre (2017) concluíram que o tempo de aquecimento é a variável mais influente para um excelente nível de regeneração, enquanto que a variação da percentagem das fibras não teve uma grande influência. Também descobriram que o tempo ótimo de aquecimento, para um micro-ondas com uma potência de 700 W e uma frequência de 2,45 GHz, foi de 40 segundos, tempo este com que se atingiu os resultados mais altos do HL (Figura 17). (a) (b) (c) Figura 17 - (a) Dimensão da fissura antes da indução; (b) Dimensão da fissura após indução (t=40 s); (c) Representação da abertura de fenda em função do tempo de indução (adaptado de Norambuena-Contreras e Gonzalez-Torre, 2017). Fakhri et al. (2020) estudaram a evolução dos efeitos da adição de resíduos metálicos em misturas betuminosas produzidas a quente. Utilizaram três tipos de aditivos: aparas de aço, fibras de aço e filer de escoria de aço. Produziram cinco tipos de mistura, uma de referência, uma com fibras de aço (1, 2 e 4% do volume total de betume) e filer comercial, outra com aparas de aço (1, 2 e 4% do volume total de betume) e filer comercial e as últimas duas, apenas trocaram o filer comercial por filer de escoria de aço para verificar a influência do mesmo. No processo indução utilizaram uma câmara termográfica nos três períodos de medição: 20, 30 e 40 segundos. Para medirem o HL usaram um processo semelhante ao indicado no artigo anterior, e submeteram os provetes de cada mistura betuminosa a um ensaio de flexão em três pontos, antes e depois da indução, repetindo este processo cinco vezes (Figura 18). Em função dos resultados obtidos, Fakhri et al. (2020) constataram que as misturas betuminosas que continham filer de escoria de aço exibiam valores mais altos de resistência à humidade e à deformação. Além disso, graças às imagens da câmara termográfica verificaram que as amostras com o filer da Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 35 escoria do aço apresentam uma melhor distribuição superficial da temperatura. Por fim, os resultados do HL demonstraram que a adição do filer da escoria de aço em misturas betuminosas com percentagens iguais ou inferiores a 2% de fibras aumenta significativamente o HL e reduz o tempo necessário de indução da mistura. Figura 18 - Esquema dos procedimentos adotados no estudo de adaptado de Fakhri et al. (2020) Os resultados positivos da utilização da escória do aço como filer, que foram verificados no estudo anterior, faz antever que na presente dissertação os resultados que se venham a obter com a utilização da escoria do aço como um agregado também possam ser igualmente positivos e promissores. Aplicação de agentes encapsulados rejuvenescedores nas misturas betuminosas O envelhecimento do betume é uma das principais causas que leva a ações de reabilitação e de conservação nos pavimentos. Tendo como objetivo alterar as propriedades dos betumes envelhecidos, através de diversos estudos científicos foram propostos diversos materiais para tentar solucionar esse problema, nomeadamente, os recuperadores, os agentes de amolecimento, os rejuvenescedores e os óleos aromáticos. Segundo García et al. (2010), os agentes de amolecimento são usados para baixar a viscosidade do betume envelhecido, enquanto que os rejuvenescedores têm capacidade para restaurar as propriedades físicas e químicas das misturas betuminosas. Uma das tecnologias mais adotadas ultimamente é a utilização de rejuvenescedores encapsulados (Figura 19), que são partículas esféricas que contém cerca de 70% de óleo, por exemplo do tipo girassol. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 36 Estas cápsulas são adicionadas à mistura como um aditivo (Gómez Meijide et al. , 2016), visto que o óleo é um poderoso solvente para o betume. (a) (b) Figura 19 - Exemplo de cápsulas rejuvenescedoras: (a) Cápsula com óleo de girassol e outros constituintes (2 mm) (Garcia et al., 2015); (b) Cápsula de alginato de cálcio (0,5 mm) (Al-Mansoori et al., 2018). Com as cargas do tráfego, as cápsulas vão ficando danificadas e acabam por romper numa certa altura. A resistência da cápsula às cargas externas deve ser estudada e bem definida de modo a que esta rompa no preciso momento em que ocorram as primeiras fissuras no pavimento (Al-Mansoori et al. , 2018). Em geral, as cápsulas tendem a romper na periferia das fissuras, pois a concentração de tensões aí existentes é muito significativa (Figura 20). Tendo por base o objetivo final de aumentar a durabilidade do pavimento, resumidamente, o óleo libertado pelas cápsulas difunde-se pela mistura e leva a que a viscosidade do betume reduza localmente e, assim, o betume consegue facilmente difundir-se e preencher as fissuras (Garcia-Hernández et al. , 2020). (a) (b) Figura 20 - Processo de rompimento da cápsula rejuvenescedora: (a) Etapas do ensaio de fratura-regeneração (adaptado de Al-Mansoori et al., 2018); (b) zoom in do passo 3 (Barros, 2020) Garcia-Hernández et al. (2020) utilizaram um método mecânico macro para medir a autorregeneração em misturas betuminosas com agentes encapsulados incorporados. Dada a boa capacidade para Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 37 promover regeneração, utilizaram cápsulas de óleo de girassol com membranas de alginato de cálcio. Realizaram três tipos de misturas ( Stone Mastic Asphalt - SMA, misturas porosas ou drenantes - PA e misturas densas - DA), produzindo provetes com e sem cápsulas para cada mistura betuminosa. Coloraram 0,5% de cápsulas em função do peso total de cada mistura. Para medir a eficiência da autorregeneração, Garcia-Hernández et al. (2020) utilizaram ensaios com carregamentos repetidos a uma frequência de 0,4 Hz, segundo uma configuração de flexão três pontos (Figura 21). De modo a determinar a influência para carga no processo de regeneração, aplicaram quatro cargas diferentes: 1,25, 1,5, 1,75 e 2 kN (PA e SMA) e 2, 2,5, 3 e 3,5 kN (DA). Os resultados do ensaio foram determinados repetindo o ensaio em séries de doze provetes de ensaio para cada nível de carregamento em estudo. (a) (b) (c) Figura 21 - (a) Representação do ensaio de flexão em três pontos; (b) Curvas Wohler dos ensaios de fadiga nas diferentes misturas; (c) Rácio de regeneração nas três misturas com 2 kN de carga (adaptado de Garcia-Hernández et al., 2020) Em função dos ensaios mecânicos executados nesse estudo, os autores verificaram que para a carga de 2 kN, as cápsulas aumentavam o rácio de regeneração em 35, 30 e 19% para as misturas SMA, PA e DA, respetivamente. Assim, com dados obtidos Garcia-Hernández et al. (2020) supuseram que o índice máximo de regeneração alcançado está relacionado com o período de rompimento das cápsulas e com o tipo de dano criado na mistura betuminosa. Por último, no mesmo artigo também se verificou que geralmente as primeiras fendas visíveis começavam a aparecer quando as cargas cíclicas eram superiores a 35% de N0,5 (Figura 22). Portanto, os autores consideraram que esse é o momento ideal para se aplicar uma técnica de manutenção, pois a partir desse momento as micro fendas evoluem para macro fendas e o aí processo de autorregeneração já não é eficaz. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 38 Figura 22 - Secção de uma mistura betuminosa: (a) antes do ensaio; (b) depois de 35% de N0,5; (c) depois do repouso (adaptado de Garcia-Hernández et al., 2020) Como se pode verificar, vários autores já estão a estudar métodos de indução e de estudo da autorregeneração de misturas betuminosas, mas ainda não existem procedimentos normalizados para se proceder à avaliação desta propriedade. Nesse sentido, os trabalhos apresentados neste segundo capítulo foram essenciais para as fases de definição das metodologias de ensaio e de análise de resultados apresentadas nos capítulos seguintes desta dissertação. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 39 3. MATERIAIS E METODOLOGIA DE ESTUDO O programa experimental desta dissertação de mestrado foi realizado no Laboratório de Infraestruturas de Transporte do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho. Este programa teve por base a caraterização dos diversos materiais utilizados, a formulação das misturas betuminosas e a realização de diversos ensaios laboratoriais, de maneira a atingir os objetivos propostos para esta dissertação. Inicialmente, face à reduzida experiência na produção de misturas de betão betuminoso que incorporem resíduos industriais para potenciarem a sua autorregeneração, procedeu-se a uma pesquisa do tipo de misturas mais utilizadas, à seleção do tipo de betume a aplicar, e à definição do tipo e percentagens de resíduos a incorporar, entre outros aspetos. Em seguida, já com a definição dos materiais a utilizar, fez-se a caraterização e análise granulométrica dos agregados e realizaram-se estudos de caraterização ao betume. No seguimento do trabalho, fez-se a formulação e produção das misturas betuminosas e, por fim, nesta primeira fase, caracterizou-se a volumetria e a geometria das vigas e dos provetes obtidos com as diferentes misturas betuminosas. A segunda fase do trabalho laboratorial compreendeu o estudo das metodologias e dos procedimentos a utilizar no processo de indução das misturas betuminosas por micro-ondas. Analisaram-se as caraterísticas e as funcionalidades dos equipamentos utilizados (micro-ondas e câmara térmica) e, conjugando essas informações com as de outros estudos científicos já apresentados, realizaram-se ensaios de indução em provetes circulares até se definir a potência do micro-ondas e o tempo de indução ideal para promover o processo de autorregeneração das misturas betuminosas. Nas últimas duas fases do processo experimental, executaram-se três ensaios laboratoriais, tendo em vista a avaliação do desempenho de autorregeneração ( self-healing ) das misturas betuminosas. Dois desses ensaios foram executados na terceira fase do estudo, e o outro ensaio foi realizado na quarta e última fase do estudo. Na terceira fase submeteram-se as vigas de cada mistura aos ensaios de flexão em quatro pontos para avaliação da resistência ao fendilhamento por fadiga e determinação do módulo de rigidez. Na quarta fase, utilizaram-se provetes semicirculares para realizar um ensaio de fratura ou rotura por flexão em três pontos, o Semi-Circular Bending Test (SCB). Nas duas últimas fases, os provetes foram sujeitos a múltiplos ciclos compostos por ensaios de caraterização mecânica e por ensaios de indução, e com os respetivos dados obtidos conseguiu-se fazer a avaliação do nível de regeneração (HL) das misturas betuminosas produzidas nesta dissertação. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 40 3.1. Identificação dos materiais utilizados Inicialmente, o processo experimental incidiu sobre a formulação e a produção de três misturas betuminosas diferentes, cujo fabrico necessitou de diversos materiais, dos quais se destacam os agregados naturais graníticos, o filer comercial de calcário, os agregados siderúrgicos inertes para construção (ASIC), as fibras de lã de aço e o betume convencional. Quanto aos agregados, sabe-se que estes fazem parte dos constituintes da mistura betuminosa, mais concretamente da fração sólida, representando em média cerca de 90 a 95% do peso total da mistura e cerca de 75 a 85% do volume da mistura (Branco et al. , 2016). Para a produção das misturas betuminosas utilizaram-se agregados de origem natural granítica, bem como agregados de origem siderúrgica, o ASIC, material esse que é proveniente da escória de aciaria da produção do aço. Na produção das misturas betuminosas também se incorporou filer, neste caso também de natureza calcária. Os agregados naturais de origem granítica foram adquiridos na empresa Bezerras, Lda., e estes são certificados do ponto de vista técnico, ambiental e de desempenho de acordo com a norma EN 13043 de 2004. Por outro lado, o filer comercial utilizado neste trabalho, de origem calcaria, foi fornecido pela empresa DST Group. Em relação ao ASIC, a totalidade do mesmo foi fornecido pela empresa DST Group, no âmbito de um projeto em investigação em curso. Este material foi produzido na MEGASA-Siderurgia Nacional-EPL, S.A., mais especificamente na Harsco Environmental, cujo processo de controlo de fabrico é certificado de acordo com as normas EN 13242 de 2007, EN 13043 de 2004 e também é certificado ambientalmente segundo as normas ISO 14025, EN 15804 de 2013 e EN 15942. É importante salientar que todos os agregados selecionados para a produção das misturas foram esquartelados e armazenados em estufa de acordo com a norma EN 13043 de 2004. Para se efetuar o presente estudo, escolheu-se como ligante um betume convencional de penetração da classe 35/50 da Galp Energia, por ser o mais utilizado pelas empresas do setor. O ligante betuminoso também foi fornecido pela empresa DST Group em latas de 5 litros. Em seguida, a Tabela 3 apresenta as especificações técnicas do betume de pavimentação selecionado para realizar este trabalho, que cumpre com os requisitos exigidos pela norma EN 12591 de 2011 (Galp Energia, 2020). Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 47 Tendo em conta os objetivos propostos para esta dissertação, o tipo de misturas betuminosas a desenvolver e a sua formulação é uma das etapas mais importantes para o sucesso do trabalho. Portanto, sabendo que um dos objetivos desta dissertação é estudar a influência de subprodutos industriais no processo de indução de misturas betuminosas com um micro-ondas, resolveu-se fazer três misturas betuminosas diferentes para o estudo ser mais conclusivo e abrangente. Nesse contexto, realizou-se uma mistura betuminosa convencional AC 14 surf 35/50 (BB) (mistura CR), uma mistura betuminosa semelhante à anterior, mas com a adição de fibras de lã de aço (mistura CF) e, por último, uma mistura betuminosa em que se substituiu de forma parcial (cerca de 50%) os agregados naturais por ASIC, contendo esta mistura também fibras de lã de aço (mistura CAF). Estudo granulométrico das misturas No estudo granulométrico das três misturas realizadas utilizou-se o fuso granulométrico da mistura AC 14 surf 35/50 (BB), apresentado na Figura 29, como referência. Este fuso foi adotado para todas as misturas em estudo e cumpre todos os requisitos enunciados no quadro 14.03.2e do Caderno de Encargos da Infraestruturas de Portugal para utilização em camadas de desgaste. Figura 29 - Fuso de referência da mistura AC 14 surf 35/50 (BB) Em função do fuso de referência enunciado na Figura 29, para cada mistura fizeram-se os respetivos cálculos de modo a determinar a quantidade de agregado de cada fração a utilizar, a apresentar no Capítulo 4. Portanto, procurou-se determinar uma curva granulométrica de cada mistura que esteja situada entre a curva de valores máximos e mínimos do fuso referência. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.01 0.10 1.00 10.00 Material passado [%] Abertura dos peneiros [mm] Fuso min Fuso máx Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 48 Definição da percentagem de fibras de lã de aço No presente trabalho, um dos primeiros passos para a formulação das misturas passou pela definição da percentagem das fibras de lã de aço a incorporar em duas misturas betuminosas em estudo neste trabalho (mistura CF e mistura CAF). Inicialmente, pensou-se fazer misturas betuminosas com diferentes percentagens de fibras de lã de aço. Todavia, face à necessidade de redução do horário laboratorial devido às contingências provocadas pela pandemia COVID-19, definiu-se que apenas se realizariam misturas betuminosas com uma única percentagem de fibras. Assim, antes de se escolher a percentagem final de fibras a incorporar, analisaram-se artigos e estudos científicos do mesmo âmbito desta dissertação de modo a que a tomada de decisão fosse bem sustentada. No estudo de Liu (2018) utilizou-se uma percentagem de fibras de 6% em relação ao volume do betume. Os resultados apresentados foram positivos, dado que as misturas betuminosas apresentaram maior resistência do que restantes misturas já ensaiadas, tiveram uma boa resistência à perda de partículas e a sua velocidade de indução também foi aceitável. Contudo, neste artigo o comprimento das fibras foi de apenas 4,2 mm, que se verificou não ser o ideal para um aumento mais rápido da temperatura nas misturas betuminosas. Por outro lado, Tabaković et al (2019) utilizaram três percentagens diferentes de fibras para cada mistura betuminosa (5, 10 e 15% do volume do betume) com um comprimento de fibras de 10 mm. A mistura com 5% de fibras apresentou diversas vantagens relativamente às outras, pois apresentou os melhores resultados no processo de autorregeneração. Além disso, os bons resultados foram bem visíveis a olho nu, visto que a fissura fechou completamente e a mistura betuminosa não sofreu nenhum dano, como por exemplo, a criação de crostas ou oxidação, estragos estes que aconteceram nas outras misturas com maior percentagem de fibras. Por último, Gallego et al. (2013) produziram várias misturas betuminosas com diferentes percentagens de fibras entre 0,2 a 1,8% da massa total da mistura, onde em cada mistura o diâmetro das mesmas também variou entre certos intervalos (0,04 a 0,06 mm e 0,10 a 0,12 mm). Neste artigo comprovou-se que a eficiência energética das fibras com 10 mm é superior às fibras de 5 mm, e também se compreendeu que as fibras com espessura de 0,04 a 0,06 mm são melhores. Por último, também se verificou que a percentagem de 0,2% de fibras em relação peso total da mistura já foi suficiente quando se utilizaram fibras com 10 mm de comprimento. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 49 Então, tendo por base os vários artigos mencionados, para ambas as misturas betuminosas com fibras de lã de aço (Figura 30), definiu-se uma percentagem de 7% do volume do betume (cerca de 0,35% da massa total da mistura), com um comprimento das fibras entre 8 e 10 mm e com diâmetro situado entre 0,04 e 0,06 mm. Figura 30 - Fibras de lã de aço utilizadas neste trabalho Processo de produção das misturas betuminosas Conforme já foi mencionado anteriormente, no presente trabalho executaram-se três tipos de misturas de betão betuminoso produzido a quente: 1) uma mistura convencional AC14 surf (BB); 2) uma mistura betuminosa com incorporação de fibras de lã de aço, e; 3) uma mistura com cerca de 50% de ASIC e fibras de lã de aço. Seguidamente, apresentam-se os processos adotados no fabrico das mesmas e identificam-se as diferenças entre os procedimentos. Primeiramente, antes de se iniciar o processo de produção das misturas, e face ao número e ao tipo de ensaios laboratoriais a desenvolver nesta dissertação, definiu-se o número de provetes e vigas necessários. A partir daí, calculou-se o número de amassaduras a desenvolver para cada mistura. Assim sendo, para cada mistura foi necessário obter 12 vigas e 9 provetes, e para isso fez-se três amassaduras para as vigas e uma amassadura para os provetes. Para a mistura convencional, antes de se iniciar a sua produção, colocou-se os agregados da mistura a aquecer num forno a uma temperatura de 165 °C e aqueceu-se o betume 35/50 também a 165 °C. Em seguida, fez-se a respetiva pesagem de cada fração dos agregados e colocaram-se numa panela misturadora (Figura 31a). Estes materiais foram misturados durante um minuto de forma a que a mistura dos vários agregados fosse o mais homogénea possível e a temperatura de produção rondasse os Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 50 150 °C. Por fim, adicionou-se o betume (Figura 31b) e misturou-se na panela durante mais dois minutos (Figura 31c). O aspeto final da mistura deve ser uniforme e todos os agregados devem estar cobertos por betume, como se pode ver na Figura 31d. (a) (b) (c) (d) Figura 31 - Processo de fabrico das misturas betuminosas Relativamente às outras duas misturas betuminosas, também se fez um aquecimento prévio dos agregados e do betume. Além disso, cortaram-se as fibras metálicas com cerca de 1 cm de comprimento (Figura 32) para introdução nas misturas. Este processo de corte ainda foi demorado, devido à falta de material no laboratório para um corte rápido e preciso. Portanto, num futuro trabalho deve-se arranjar uma forma de melhorar o corte das fibras metálicas. Figura 32 - Fibras de lã de aço cortadas para introdução nas misturas Após a pesagem dos agregados, colocaram-se as fibras na panela misturadora e mexeu-se durante um minuto. Depois, aumentou-se a velocidade de rotação da panela misturadora e, gradualmente, Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 51 adicionou-se a quantidade de fibras na panela num período de dois minutos, de modo a que a mistura de agregados ficasse o mais homogénea possível a as fibras ficassem bem distribuídas. Porém, este processo foi complicado dado que as fibras se aglomeravam umas com as outras. Assim, para projetos futuros neste âmbito deve-se arranjar um método mais eficiente de colocação das fibras. No final, adicionou-se o betume aos materiais anteriores e misturou-se tudo durante mais dois minutos. Finalizando este processo, colocou-se o material betuminoso em moldes específicos para as lajes e para os provetes cilíndricos, e depois procedeu-se à respetiva compactação. Adicionalmente, também se colocou num tabuleiro com cerca de 2 kg de amostra de cada mistura para se proceder ao ensaio de determinação da baridade máxima teórica (BMT). Antes de efetuar a compactação, mediu-se a temperatura de cada amassadura, conforme se pode verificar na Tabela 5. No caso dos provetes, as temperaturas medidas foram inferiores, porque a perda de temperatura é mais rápida devido à sua menor massa, e além disso fez-se a pesagem da amostra betuminosa em cada provete e só antes de se compactar é que mediu a temperatura. Portanto, existiram perdas de calor entre a misturadora, pesagem, forno e equipamento de compactação. Tabela 5 - Temperaturas médias de compactação das misturas betuminosas Referência da Mistura Temperatura média das lajes [°C] Temperatura média dos provetes [°C] CR 139 127 CF 149 132 CAF 142 130 Processo de compactação das misturas betuminosas No processo de compactação das misturas betuminosas, utilizaram-se dois equipamentos diferentes, um equipamento para as lajes, o Roller Compactor , e outro equipamento para os provetes cilíndricos, o compactador de Marshall (Figura 33). À medida que se foi produzindo cada mistura betuminosa, iniciava-se o processo de compactação da mesma. Para cada mistura obtiveram-se 9 provetes cilíndricos e 3 lajes retangulares que depois de cortadas originaram 12 vigas. Os provetes cilíndricos destinaram-se para os ensaios de indução e para os ensaios de fratura ou rotura por flexão em três pontos (SCB), enquanto as vigas também se destinaram aos ensaios de indução, bem como ao ensaio de determinação da resistência à fadiga e do módulo de rigidez por flexão em quatro pontos. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 52 (a) (b) Figura 33 - Equipamentos de compactação: (a) Roller Compactor; (b) Compactador de Marshall A compactação dos provetes cilíndricos é executada através de um compactador de impacto (Figura 33b) que aplica 75 pancadas em cada face do provete, como referido no anexo nacional da norma EN 13108-1. Antes desse processo, fez-se a preparação dos provetes, colocando uma determinada quantidade de cada mistura betuminosa em moldes metálicos com diâmetro interno de 101,6 mm e 63,4 mm de altura, que foram previamente aquecidos em estufa. Em seguida, pousou-se uma folha de papel em cada face do molde de modo a que o martelo, durante o processo de compactação, não aderisse às faces do provete. Antes de iniciar a compactação de cada provete realizou-se um controlo de temperatura de maneira a garantir que o processo estava a ser executado dentro dos valores previstos. Após esse processo, os provetes cilíndricos foram desmoldados (Figura 34) num equipamento de estrutura universal de carga da marca Matest Unitronic. (a) (b) Figura 34 - Provetes cilíndricos (a) antes e (b) depois de serem desmoldados Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 53 Relativamente ao processo de compactação das lajes, inicialmente colocou-se óleo de descofragem em toda a superfície do molde e, logo após, introduziu-se a respetiva quantidade de mistura betuminosa no seu interior, espalhou-se bem a amostra e, por fim, colocou-se o molde no Roller Compactor . No software do compactador introduziram-se as dimensões do molde (30,5 × 40 × 7 cm3) e procedeu-se à respetiva compactação. O molde foi retirado do equipamento no final desse processo, desmoldou-se a laje, e aguardou-se até ao dia seguinte para que a laje atingisse a temperatura ambiente (Figura 35). Nessa altura, cada laje foi encaminhada para o respetivo corte, o que permitiu obter quatro vigas por cada laje para os ensaios de flexão em quatro pontos. (a) (b) (c) Figura 35 - Lajes produzidas: (a) Mistura CR; (b) Mistura CF; (c) Mistura CAF. Os processos de compactação foram idênticos para as três misturas betuminosas produzidas nesta dissertação. Resumidamente, deste processo de compactação resultaram vinte e sete provetes cilíndricos e trinta e seis vigas. Identificação e caraterização geométrica das vigas e dos provetes das misturas betuminosas Após a obtenção das vigas e dos provetes cilíndricos de cada mistura, fez-se a respetiva identificação. A nomenclatura para a primeira viga da mistura convencional foi “CR1”, para a mistura betuminosa apenas com fibras metálicas foi “CF1” e, por último, à mistura com ASIC e fibras metálicas deu-se o nome “CAF1”, alterando-se o número final para as restantes vigas (Figura 36). Nos provetes cilíndricos também se utilizou a mesma nomenclatura. Nesta fase preliminar, mas já após o ensaio de determinação da baridade aparente, também se procedeu ao corte dos provetes cilíndricos a meio ao longo do seu diâmetro para o ensaio SCB, formando assim dois provetes semicirculares com Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 54 a nomenclatura “CR1A e CR1B” (Figura 37). Efetuou-se este corte em seis dos nove provetes de cada mistura, para serem utilizados numa fase posterior do trabalho experimental. Os outros três provetes foram utilizados nos ensaios iniciais de calibração do processo de indução. (a) (b) (c) Figura 36 - Vigas de ensaio da (a) Mistura CR; (b) Mistura CF; (c) Mistura CAF. Figura 37 - Provetes semicirculares com a respetiva identificação Por último, fez-se a medição das dimensões geométricas dos vários provetes obtidos para ensaio. Em cada viga, em primeiro lugar, mediu-se a sua massa total e em seguida, mediram-se três pontos da largura e da altura da mesma, de nodo a determinar a sua largura e altura média. Nos provetes cilíndricos também se determinou a massa, e em seguida mediu-se o diâmetro e a respetiva altura de cada provete. Relativamente aos provetes semicirculares, também se fez as respetivas medições de acordo com a norma de ensaio EN 12697-44. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 55 Determinação da baridade aparente Para determinar a baridade aparente de provetes de betão betuminoso existem alguns métodos. Neste trabalho utilizou-se o método B da norma EN12697-6. Este método consiste em calcular a massa de um provete seco e, após esse cálculo, colocam-se todos os provetes submersos em água no interior de um recipiente durante 30 minutos. Posteriormente, calcula-se a massa do provete submerso e a massa do provete saturado com superfície seca (Figura 38). É importante salientar que se deve ir medindo a temperatura da água do recipiente à medida que se vai realizando o ensaio, de modo a que o cálculo da densidade da água do recipiente seja o mais preciso possível. (a) (b) Figura 38 - Método de determinação da baridade aparente em provetes cilíndricos O cálculo da densidade aparente é feito através da relação entre a massa do provete seco e a diferença de massa entre o provete saturado com superfície seca e o provete imerso (Equação 2). 𝜌𝜌𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 =�𝑚𝑚1 𝑚𝑚3−𝑚𝑚2�×𝜌𝜌𝑤𝑤 (2) Onde: 𝜌𝜌𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 é a densidade aparente, em megagramas por metro cúbico (Mg/m3); 𝜌𝜌𝑤𝑤 é a densidade da água à temperatura do ensaio, em megagramas por metro cúbico (Mg/m3); 𝑚𝑚1 é a massa do provete seco, em gramas (g); 𝑚𝑚2 é a massa do provete imerso, em gramas (g); 𝑚𝑚1 é a massa do provete saturado com superfície seca, em gramas (g). Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 56 Relativamente à baridade aparente das lajes, esta determina-se através do método D da norma EN 12697-6, onde se calcula o quociente entre a massa da laje seca e o seu volume. Neste caso, o volume deve ser determinado em função das medições geométricas da laje. Determinação da baridade máxima teórica A determinação da baridade máxima teórica (BMT) está definida pelo método A da norma EN 12697-5 e consiste no uso de um picnómetro submetido a vácuo. Em uma das quatros amassaduras realizadas para produção de cada mistura betuminosa, reservou-se cerca de 2 kg de amostra desagregada para a realização este ensaio (Figura 39a). (a) (b) (c) Figura 39 - (a) Amostra de mistura betuminosa desagregada; (b) Picnómetro; (c) Equipamento de vácuo. Neste ensaio, em primeiro lugar mediu-se a massa do picnómetro vazio, depois tarou-se a balança e colocou-se a amostra no picnómetro de modo a medir a massa precisa da amostra desagregada. Em seguida, mediu-se a massa total do picnómetro com a amostra. Após esse procedimento, adicionou-se ao picnómetro água destilada a 25 °C até cobrir a amostra e depois colocou-se o picnómetro numa mesa vibratória (Figura 39b) sujeito a vácuo (Figura 39c) durante 15 minutos de modo a que água preenchesse os vazios da amostra. No final desse período, esse equipamento com amostra é colocado em banho maria durante 30 minutos a 25 °C. Por fim, é necessário encher a totalidade do picnómetro com água e mede-se a massa do mesmo. A baridade máxima teórica é calculada com base na massa do picnómetro, na massa do picnómetro com a amostra, na massa do picnómetro cheio apenas de água e na massa do picnómetro com amostra e cheio de água. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 63 (a) (b) (c) (d) Figura 44 - Etapas do ensaio de indução nas vigas: (a) Colocação na câmara termográfica num suporte fixo; (b) Medição da temperatura inicial da viga; (c) Colocação na viga num suporte de madeira; (d) Medição da temperatura superficial após indução no micro-ondas Figura 45 - Procedimento adotado para calcular o nível de regeneração (HL - Healing Level) das vigas após fadiga Com este ensaio procurou-se determinar o ganho de vida útil de um pavimento, comparando o número de ciclos das vigas que foram à ruína sem indução com o número de ciclos das vigas que foram à ruína, mas que foram sujeitas a um ou dois períodos de indução. No Capítulo 4 desta dissertação são apresentados os resultados obtidos neste ensaio. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 64 Ensaio de rotura por flexão em três pontos O ensaio de fratura ou rotura por flexão em três pontos em provetes semicirculares foi baseado nos procedimentos da norma EN 12697-44. Neste ensaio procurou-se comparar o comportamento das três misturas betuminosas, avaliando a carga máxima, o deslocamento máximo e a energia de fratura de cada provete. No entanto, o objetivo principal deste ensaio foi medir a recuperação do dano significativo dos provetes após regeneração dos mesmos por indução via micro-ondas. O ensaio foi realizado num equipamento de estrutura universal de carga da marca Matest Unitronic, numa configuração de ensaio de flexão com dois pontos de apoio, espaçados entre si de 8 cm, e um ponto de aplicação de carga na zona intermédia do provete (Figura 46). O ensaio foi realizado à temperatura ambiente, pois o equipamento não tinha controlo de temperatura. No entanto, de modo a que a fratura do provete fosse frágil e a fenda criada fosse bem definida, colocaram-se todos os provetes num frigorífico a -20 °C, que foi a temperatura de ensaio (pois este ocorre de forma muito rápida, praticamente sem perda de temperatura). Figura 46 - Colocação do provete CF1A no ensaio de fratura SCB A velocidade de aplicação da carga nos provetes foi de 0,5 mm/min. A temperatura de ensaio dos provetes e a velocidade de carga foram definidos em função da análise de estudos científicos de diversos investigadores (Fakhri et al. , 2020, Norambuena-Contreras e Gonzalez-Torre, 2017). Outro aspeto importante de organização preliminar deste ensaio foi a preparação dos provetes semicirculares. Depois de se realizar a identificação dos mesmos, obteve-se as medidas geométricas de acordo com a norma de ensaio já mencionada e na zona intermédia dos provetes, além de pintar a Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 65 superfície de branco, fez-se um entalhe de 1 cm (aproximadamente), de modo a controlar o início e a progressão da fenda resultante do ensaio de fratura. Os vários procedimentos atrás descritos são apresentados na Figura 47. (a) (b) (c) Figura 47 - (a) Formação do entalhe; (b) Caraterização da geometria do provete; (c) Pintura a branco da superfície do provete para uma melhor identificação das fendas Durante o ensaio de flexão foram colocadas duas câmaras a fotografar em períodos de 5 em 5 segundos (Figura 48), uma a controlar a evolução da abertura de fenda e outra a controlar a evolução dos valores da força e do deslocamento do ensaio. Além dessas duas câmaras, também se utilizou a câmara termográfica para analisar a distribuição de temperaturas ao longo da criação da fenda. Figura 48 - Equipamentos utilizados no ensaio SCB O objetivo de utilizar as diversas câmaras era compreender a evolução da progressão da fenda e a eventual dissipação de calor na zona de abertura da fenda, mas não se teve sucesso porque o ensaio foi Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 66 muito rápido. De futuro pretende avaliar-se esta questão com mais pormenor, realizando ensaios a temperaturas mais altas ou com uma menor velocidade de aplicação de deformação, para se seja possível acompanhar a progressão da fenda durante o ensaio. Tal como se referiu anteriormente, o principal objetivo deste ensaio era determinar a capacidade de regeneração das misturas por indução após rotura completa dos provetes. De forma sucinta, os procedimentos adotados para calcular o nível de regeneração ou HL ( healing level ) das misturas betuminosas através deste ensaio de caraterização mecânica e do ensaio de indução por aquecimento no micro-ondas foram os seguintes: 1. Colocação dos provetes semicirculares numa câmara térmica a uma temperatura de -20 °C durante 24 horas; 2. Realização do ensaio de fratura SCB a uma velocidade de 0,5 mm/min; 3. Colocação dos provetes fraturados numa câmara térmica ventilada a uma temperatura de 20 °C durante 3 horas de modo a evaporar a água existente na fenda; 4. Realização do ensaio de indução durante 80 segundos a uma potência de 900 W; 5. Após o ensaio de indução, pousar os provetes num local à temperatura ambiente durante 2 horas e depois repetir os procedimentos de 1 a 5 durante três ciclos. Por último, após a conclusão dos três ciclos de ensaios, obtiveram-se os dados necessários para analisar a forma como cada mistura betuminosa foi influenciada pelo processo de autorregeneração dos provetes, através do cálculo do quociente entre a força resistente máxima final e a força resistente máxima inicial. Também se fez o mesmo cálculo utilizando a energia de fratura de cada provete. Depois de apresentados os materiais e os métodos de ensaio, no próximo capítulo apresentam-se e analisam-se os resultados obtidos neste trabalho, com os quais foi possível retirar um conjunto de conclusões que dão resposta aos objetivos desta dissertação. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 67 4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados de caraterização dos materiais utilizados no presente estudo, tendo por base a aplicação dos métodos de ensaio às misturas betuminosas desenvolvidas, que foram mencionados no capítulo anterior. 4.1. Caraterização básica dos agregados e do ligante betuminoso Análise granulométrica dos agregados No estudo da formulação de uma mistura betuminosa é fundamental conhecer as curvas granulométricas das diferentes frações dos agregados que vão ser utilizados na produção da mistura. De acordo com o procedimento apresentado no Capítulo 3, realizou-se um ensaio de determinação da curva granulométrica para cada uma das frações dos agregados naturais graníticos, dos agregados siderúrgicos (ASIC) e do filer comercial calcário. Os resultados obtidos já foram apresentados no Capítulo 3, mais especificamente na Figura 23, e foram essenciais para estudar o ajuste granulométrico das três misturas em estudo ao fuso de referência de uma mistura AC 14 surf 35/50 já estabelecido. É importante referir que os agregados e as respetivas curvas granulométricas são sempre as mesmas para as três misturas betuminosas produzidas para evitar incertezas na análise, pois se os agregados fossem diferentes, os ensaios apresentariam resultados diferentes também. Um aspeto que também vai ter bastante influência na formulação da mistura com ASIC é a diferença de densidade entre os agregados naturais e o ASIC, pois isso altera as proporções ponderais quando se pretende manter as proporções volumétricas. Neste trabalho, e para formulação das misturas betuminosas, considerou-se os valores de densidade determinados para os mesmos materiais no trabalho de Nascimento et al. (2018), que foram de 2,65 g/cm3 para os agregados naturais e filer, 3,25 g/cm3 para o ASIC e 1,03 g/cm3 para o betume. Análise do ligante No presente trabalho utilizou-se um betume 35/50, fornecido pela empresa DST Group, pois este tipo de ligante é o mais utilizado no país. Para caraterização do betume foram realizados ensaios de penetração (EN 1426), de ponto de amolecimento pelo método de “Anel e Bola” (EN 1427) e de viscosidade dinâmica (EN 13302), cujos resultados são apresentados na Tabela 6 e na Figura 49. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 68 Tabela 6 - Resultados dos ensaios de penetração e do ponto de amolecimento do betume Ensaio Método de ensaio Amostra Valor Penetração do betume [0,1 mm] EN 1426 1 43,9 2 44,9 3 45,9 Ponto de amolecimento pelo método de “Anel e Bola” [°C] EN 1427 1 50,9 2 51,2 Os resultados dos ensaios de penetração e “anel e bola” estão dentro do esperado, pois segundo a ficha técnica desse produto, os valores da temperatura de amolecimento variam entre 50 e 58 °C e os valores de penetração devem situar-se num intervalo de valores entre 35 e 50 décimas de milímetro. Figura 49 – Variação da viscosidade dinâmica do betume utilizado com a temperatura A viscosidade dinâmica determina a fluidez ou viscosidade dos betumes para um leque de temperaturas mais elevadas. Com base nos resultados de viscosidade do betume utilizado é possível confirmar que a temperatura de produção das misturas referida no Capítulo 2 (165 °C) é adequada, uma vez que a viscosidade de referência (0,2 Pa·s) para a operação de mistura seria obtida para uma temperatura de aproximadamente 160 °C, e o efeito provocado por uma diferença de 5 °C é desprezável. 4.2. Caraterização reológica do ligante betuminoso O reómetro dinâmico de corte (DSR) é um equipamento que permite determinar os parâmetros viscoelásticos do betume, controlando perfeitamente a cinemática do fluxo do ligante, sujeito a condições determinadas de carga e temperatura. Os parâmetros principais medidos neste ensaio são o módulo 0.01 0.10 1.00 10.00 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Viscosidade dinâmica [Pa.s] Temperatura [°C] Amostra de betume Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 69 complexo (G*) e o ângulo de fase (°), com os quais é possível determinar muitas outras propriedades. Com a realização deste ensaio foi possível construir uma curva mestra através do ensaio dinâmico por varrimento de frequência. O princípio de sobreposição tempo-temperatura é válido para o betume 35/50 em estudo e os deslocamentos horizontais a realizar para obtenção da curva mestra são descritos pela relação da equação de Williams-Landel-Ferry (WLF). A equação de WLF é uma formulação bastante utilizada para o cálculo do fator de deslocamento de materiais viscoelásticos. Os fatores de deslocamento dos ensaios realizados ao betume 35/50 foram determinados com base na Equação 4 para cada temperatura de ensaio (Figura 50), sendo a temperatura de referência igual a 40 °C. log(𝛼𝛼𝑡𝑡) = −𝐶𝐶1(𝐵𝐵−𝐵𝐵𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟) 𝐶𝐶2+ (𝐵𝐵−𝐵𝐵𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟) (4) Onde: 𝛼𝛼𝑡𝑡 é o fator de deslocamento; 𝐶𝐶1 é uma constante adimensional; 𝐶𝐶2 é uma constante, medida em Kelvins (K); 𝐵𝐵 é uma temperatura, medida em graus Celsius (°C); 𝐵𝐵𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 é a temperatura de referência, medida em graus Celsius (°C). Figura 50 - Curva do fator de deslocamento ( αt ) para as diferentes temperaturas de ensaio (Tref = 40 °C) Verifica-se que a curva que relaciona o fator de deslocamento com as temperaturas do ensaio de reologia se aproxima de uma linha de tendência exponencial, o que vai ao encontro do esperado na equação WLF. Assim, pelo princípio de sobreposição tempo-temperatura foi possível construir uma curva mestra 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 -20 0 20 40 60 80 100 αt-WLF - Tref = 40 °C Temperatura de ensaio [°C] Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 70 para a temperatura de referência de 40 °C, correspondente à temperatura média dos ensaios realizados. Para a construção da curva mestra utilizaram-se todos os resultados dos ensaios dinâmicos (módulo complexo e ângulo de fase) efetuados ao betume, cuja representação gráfica em função da frequência é apresentada na Figura 51 numa escala logarítmica. Figura 51 – Representação gráfica dos resultados de reologia do betume, o módulo complexo e o ângulo de fase Ao aplicar os fatores de deslocamento (Figura 50) aos resultados da Figura 51, determinaram-se frequências equivalentes que permitiram obter a curva mestra do módulo complexo e do ângulo de fase para a temperatura de referência, que são apresentadas na Figura 52. As curvas apresentadas estão em linha com os resultados obtidos por outros autores para um betume 35/50. No entanto, na curva mestra do módulo complexo nota-se que existe uma descontinuidade devido a alterações das condições de ensaio (mudança do prato de ensaio), e na curva do ângulo de fase existe uma maior dispersão dos valores obtidos para os valores mais altos, fugindo um pouco da linha de tendência da curva. Figura 52 - Curvas mestras do módulo complexo e do ângulo de fase em função da frequência equivalente (Tref = 40 °C) 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08 1.0E+09 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 Módulo Complexo [MPa] Frequência [Hz] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 Ângulo de fase [°] Frequência [Hz] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08 1.0E+09 1.0E-04 1.0E-02 1.0E+00 1.0E+02 1.0E+04 1.0E+06 Ângulo de fase [°] Módulo Complexo [MPa] Frequência equivalente [Hz] Módulo Complexo [Pa] Ângulo de Fase [°] Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 71 Os resultados do módulo complexo e do ângulo de fase também foram apresentados no diagrama de “ Black Space ” (Figura 53). Este diagrama é uma representação semilogarítmica que relaciona o módulo complexo e o ângulo de fase do betume obtidos no DSR, para todas as temperaturas e frequências ensaiadas. A curva apresentada expressa a variação da reologia do betume sem considerar o efeito da frequência, observando-se que a mudança de fase do betume para um comportamento viscoso ocorre na zona de maior dispersão de resultados, com ângulos de fase próximos de 90°. Figura 53 - Diagrama de “Black Space” do betume 35/50 Por último, determinou-se o grau de desempenho PG (Performance Grade) do betume 35/50 (Figura 54), utilizando como referência o valor de G*/sen (δ) igual a 1000 Pa para uma frequência de 10 rad/s. O valor de PG é a maior temperatura de ensaio que tem um valor de G*/sen (δ) superior a 1000 Pa Figura 54 - Determinação do grau PG do betume 35/50 para uma frequência de 10 rad/s 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08 1.0E+09 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 Módulo Complexo [MPa] Ângulo de fase [°] 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 30 40 50 60 70 80 90 G*/sen (δ) [Pa] Temperatura [°C] PG = 76 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 72 Neste caso em concreto, pela análise da Figura 54 verifica-se que o grau PG é de 76, o que quer significa que este betume resiste bem a grandes deformações até aos 76 °C. Este valor é superior aos valores usuais para betumes não modificados, que normalmente apresentam valores PG de 64 ou 70. 4.3. Formulação das misturas betuminosas Ajuste granulométrico das misturas betuminosas Depois da caraterização e análise dos resultados obtidos sobre os agregados (graníticos e siderúrgicos) e sobre o betume, procedeu-se à formulação das misturas betuminosas. Conforme já foi mencionado no Capítulo 3, nesta dissertação foram produzidas três misturas de betão betuminoso (AC 14 surf 35/50), uma de controlo ou convencional, outra com fibras metálicas e, por último, uma composta por agregados de escória siderúrgica (ASIC) e fibras metálicas. Na Tabela 7 são apresentadas as composições granulométricas (definidas em volume) das respetivas misturas. Os valores correspondes em massa (utilizados para a produção das misturas) foram determinados em função da densidade de cada agregado. Após o estudo granulométrico destes agregados, determinou-se a respetiva composição granulométrica de cada mistura betuminosa. Tabela 7 - Composição granulométrica das misturas betuminosas Fração de agregado Misturas CR – AC 14 Surf 35/50 (BB) CF – AC 14 Surf 35/50 (BB) com fibras metálicas CAF – AC 14 Surf 35/50 (BB) com ASIC e fibras metálicas ASIC 10/14 - - 14% Brita 6/14 42% 42% 17% ASIC 0/10 - - 36% Brita 4/6 14% 14% - Pó 0/4 40% 40% 27% Filer 4% 4% 6% Fibras - 7% (do volume de betume) 7% (do volume de betume) O estudo de formulação de Marshall começa pelo ajuste granulométrico da mistura de agregados ao fuso respetivo da mistura. Na Figura 55 apresenta-se o resultado do ajuste obtido pela combinação das diferentes percentagens de agregados (naturais e ASIC) apresentados na Tabela 7. É importante realçar que a percentagem das fibras a adicionar era tão baixa (cerca de 0,35% da massa total da mistura) que não se considerou o seu peso em volume nos ajustes granulométricos. Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 79 Módulo de rigidez das misturas betuminosas Primeiro realizou-se o ensaio de caraterização do módulo de rigidez das três misturas betuminosas produzidas com base nos procedimentos apresentados no Capítulo 3. Nas Figuras 61 a 63 apresentam-se os principais resultados obtidos neste ensaio (evolução do módulo de rigidez e ângulo de fase com a frequência) à temperatura de 20 °C, para as vigas CR9, CF4 e CAF4, sujeitas a três ensaios de determinação do módulo e a dois ensaios de indução por micro-ondas. Figura 61 - Evolução do módulo de rigidez e do ângulo de fase nos três ensaios de módulo entre os quais se procedeu a ciclos de indução na viga CR9 Figura 62 - Evolução do módulo de rigidez e do ângulo de fase nos três ensaios de módulo entre os quais se procedeu a ciclos de indução na viga CF4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0.1 1 10 Ângulo de Fase [°] Módulo Complexo [MPa] Frequência [Hz] Teste 1 - Módulo Teste 2 - Módulo Teste 3 - Módulo Teste 1 - Ângulo de Fase Teste 2 - Ângulo de Fase Teste 3 - Ângulo de Fase 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0.1 1 10 Ângulo de Fase [°] Módulo Complexo [MPa] Frequência [Hz] Teste 1 - Módulo Teste 2 - Módulo Teste 3 - Módulo Teste 1 - Ângulo de Fase Teste 2 - Ângulo de Fase Teste 3 - Ângulo de Fase Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 80 Figura 63 - Evolução do módulo de rigidez e do ângulo de fase nos três ensaios de módulo entre os quais se procedeu a ciclos de indução na viga CAF4 Com estes resultados, pretende-se identificar qual foi a variação do valor do módulo complexo e do ângulo de fase das vigas após o processo de indução. O restabelecimento da resistência, de forma total ou parcial, deveu-se ao processo de autorregeneração que ocorreu na viga e que foi potenciado pelo sistema de indução por micro-ondas. Com base nos resultados obtidos é possível concluir que a indução aplicada nas misturas contribui de forma preponderante na recuperação da resistência da mesma, pois mesmo após as vigas sofrerem o ensaio de determinação do módulo e o ensaio de resistência à fadiga, as vigas conseguem recuperar o módulo inicial quase na sua totalidade, ocorrendo em alguns casos a subida do módulo inicial em relação ao ensaio anterior, como se pode ver na Figura 64. Figura 64 - Módulos de rigidez das misturas estudas nas condições de ensaio referidas na norma (frequência 8 Hz e temperatura de 20 °C) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0.1 1 10 Ângulo de Fase [°] Módulo Complexo [MPa] Frequência [Hz] Teste 1 - Módulo Teste 2 - Módulo Teste 3 - Módulo Teste 1 - Ângulo de Fase Teste 2 - Ângulo de Fase Teste 3 - Ângulo de Fase 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 123 Módulo de Rigidez a 8 Hz [MPa] Nº do ensaio do ensaio de determinação do módulo de rigidez CR CF CAF Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 81 As razões que levaram a essa subida podem ser diversas, como por exemplo, uma melhor ligação entre os agregados e o betume ou o envelhecimento do ligante. De salientar que em certos casos a autorregeneração da mistura não só restabelece, como ainda melhora as suas propriedades iniciais. De acordo com os resultados, também é possível analisar que a mistura com ASIC e fibras metálicas tem um módulo de rigidez complexo ligeiramente superior em relação às restantes misturas. Por consequência, o seu ângulo de fase apresenta um comportamento inverso. Resistência ao fendilhamento por fadiga das misturas betuminosas Após o ensaio de determinação do módulo de rigidez, realizou-se o ensaio de resistência ao fendilhamento por fadiga nas misturas betuminosas produzidas com base nos procedimentos já mencionados nesta dissertação. De modo a otimizar o nível de recuperação de resistência das vigas, no ensaio de fadiga o critério de paragem foi definido quando o módulo de rigidez da viga reduzia 35% em relação ao seu valor inicial. Fazia-se a respetiva anotação do valor do número de ciclos do ensaio correspondente a esse momento e, posteriormente, após submeter as vigas ao sistema de indução por micro-ondas durante um tempo de 210 segundos, voltou-se a ensaiar a viga à fadiga e definiu-se o mesmo critério de paragem. Este ciclo de ensaios repetiu-se duas vezes e com os resultados obtidos conseguiu-se quantificar qual foi o ganho de vida à fadiga da viga, ou seja, conseguiu-se calcular o healing index (Onifade e Birgisson) ou índice de regeneração (Onifade e Birgisson, 2017). O tempo de indução definido (210 segundos) foi baseado a partir de uns ensaios prévios de indução a vigas existentes no laboratório de misturas betuminosas do tipo AC 14 surf BB. O HI foi calculado (Equação 5) pela diferença do número de ciclos entre os ensaios de fadiga consecutivos para uma dada percentagem de redução do módulo de rigidez. 𝐻𝐻𝐻𝐻 =𝑁𝑁𝑟𝑟−𝑁𝑁𝑥𝑥 𝑁𝑁𝑥𝑥 (5) Onde: 𝑁𝑁𝑟𝑟 é a total durabilidade da viga até um certo valor definido, medido em nº de ciclos; 𝑁𝑁𝑥𝑥 é a durabilidade da viga até um valor definido no primeiro ensaio, medido em nº de ciclos. Antes de se apresentar os resultados obtidos, convêm voltar a referir que das nove vigas ensaiadas à fadiga de cada mistura, apenas foram realizados dois ciclos de ensaios (fadiga – indução – fadiga) em três vigas, onde no terceiro ensaio as vigas foram levadas à rotura (redução de 50% do módulo de rigidez Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 82 inicial). Três das restantes vigas foram levadas à rotura logo no primeiro ensaio de fadiga, enquanto as outras três foram levadas à rotura após a conclusão do primeiro ciclo de indução. Nas Figuras 65 a 67 faz-se uma análise do ganho de vida útil à fadiga de uma viga de cada mistura betuminosa em estudo (CR, CF e CAF) e faz-se uma comparação do número de ciclos necessários para ir à rotura entre uma viga que cumpriu os todos os ciclos de ensaios (redução do módulo de rigidez até ao 35% do valor inicial) com uma viga que apenas realizou um ensaio à fadiga (redução do módulo de rigidez em 50% do valor inicial). A escolha da viga para a respetiva comparação baseou-se em função da proximidade entre as curvas no primeiro ensaio de fadiga. Figura 65 - Evolução do módulo de rigidez da viga CR6 no ensaio de fadiga ao longo dos dois ciclos de indução comparativamente com a viga CR2 (sem indução) Figura 66 - Evolução do módulo de rigidez da viga CF9 no ensaio de fadiga ao longo dos dois ciclos de indução comparativamente com a viga CF2 (sem indução) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100 1000 10000 100000 Módulo de rigidez [MPa] Vida à fadiga [Nº de ciclos] Ensaio sem indução 1º Ensaio 2º Ensaio 3ª Ensaio Indução 1 Indução 2 Ganho de Vida 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100 1000 10000 100000 Módulo de rigidez [MPa] Vida à fadiga [Nº de ciclos] Ensaio sem indução 1º Ensaio 2º Ensaio 3ª Ensaio Indução 1 Indução 2 Ganho de Vida Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 83 Figura 67 - Evolução do módulo de rigidez da viga CAF9 no ensaio de fadiga ao longo dos dois ciclos de indução comparativamente com a viga CAF2 (sem indução) Relativamente à evolução da vida à fadiga para cada mistura betuminosa, verifica-se que o ganho de vida é bem percetível e é importante salientar que o eixo horizontal dos gráficos está numa escala logarítmica. Assim, pode-se concluir que se o mecanismo de indução for aplicado num período certo da vida do pavimento, esse pavimento terá uma extensão significativa do período de vida para o qual foi inicialmente dimensionado. Logo, percebe-se que a utilização de sistemas de indução para reparação de pavimentos, além de ser uma solução mais sustentável do que as convencionais, também apresenta excelentes resultados laboratoriais. Portanto, seria interessante num futuro próximo fazer um estudo numa infraestrutura rodoviária em contexto real. Em função dos dados adquiridos nos ensaios de fadiga (módulo de rigidez e nº de ciclos), construiu-se um gráfico de barras (Figura 68) onde se avalia o índice de regeneração das três misturas betuminosas estudadas, a partir do cálculo do HI. Para o cálculo do HI considerou-se como valor Nf o número total de ciclos até ao 3º ensaio de fadiga até reduzir o módulo de rigidez inicial do respetivo ensaio em 35%. Para Nx considerou-se o número de ciclos do 1º ensaio até a uma redução de 35% do módulo inicial. É importante referir que em função dos dados disponíveis, poder-se-iam apresentar diversos cálculos diferentes do HI, mas considerou-se que esta é a mais representativa, dado que se comparam o número de ciclos de cada ensaio, sempre com o mesmo critério de paragem (0,35 ×Ei). Portanto, consegue-se verificar qual o ganho de vida (nº de ciclos) de um ciclo para o outro. A Figura 68 apresenta os valores médios das vigas foram submetidas a dois ensaios de indução. Com base nos resultados desta figura, verifica-se que o ganho de vida à fadiga foi bem percetível em todas as 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100 1000 10000 100000 Módulo de rigidez [MPa] Vida à fadiga [Nº de ciclos] Ensaio sem indução 1º Ensaio 2º Ensaio 3º Ensaio Indução 1 Indução 2 Ganho de Vida Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 84 misturas estudadas. A mistura convencional apresentou resultados muito positivos, apresentando um HI de 1,9, ou seja, o ganho de vida dessa mistura foi de quase 200% graças à indução por micro-ondas. Figura 68 - Índice de regeneração (Onifade e Birgisson) em cada mistura betuminosa nos ensaios de fadiga Assim, pode-se concluir que o processo de indução por micro-ondas também potencia a capacidade de regeneração nas misturas convencionais. Desse modo, deve-se continuar a fazer estudos nesta área para brevemente se aplicar estes processos de indução em pavimentos com misturas convencionais. A mistura com ASIC e fibras metálicas também apresentou bons resultados de autorreparação, visto que o número de ciclos aumentou quase em 150%. Por último, a mistura apenas com fibras metálicas apresentou os piores resultados, mas mesmo assim apresentou um HI acima de 50%. De modo a evitar que as vigas se deformassem no aquecimento, as mesmas foram colocadas numa caixa em madeira durante o processo de indução. Com resultado dos ciclos de ensaios, as vigas sofreram deformações e em algumas partes desagregavam-se, principalmente nas zonas mais críticas (zonas de aplicação das cargas), como se pode ver na Figura 69. Figura 69 – Alteração do aspeto e provável degradação do betume nas vigas causado pelos ensaios cíclicos de caraterização mecânica e de indução Por último, nas Figuras 70 e 71 analisam-se os valores das temperaturas médias de indução nas vigas. Neste caso não se verificou a influência nem do ASIC nem das fibras metálicas, tal como se tinha 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Healing Index (HI) CR CF CAF Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 85 observado para os carotes. Contudo, todas as misturas atingiram sempre temperaturas médias entre 60 e 70 °C, suficiente para promover a sua autorregeneração, como os resultados comprovam. (a) (b) Figura 70 - Temperatura superficial da Viga CR6: (a) 1ª indução; (b) 2ª indução Figura 71 - Variação das temperaturas médias de indução das vigas de cada mistura Resistência dos provetes semicirculares à fratura por flexão em três pontos O último ensaio de caraterização mecânica realizado foi o ensaio de rotura por flexão em três pontos em provetes semicirculares (Figura 72). Escolheu-se este ensaio de caraterização para avaliar a capacidade de autorregeneração de uma mistura betuminosa quando esta é sujeita a uma rotura total do material, que pode dificultar a ação de regeneração. Neste ensaio experimental foram utilizados no total 36 provetes (12 de cada mistura) em quatro ensaios de fratura e em três ensaios de indução. Inicialmente, definiu-se um tempo de indução de 60 segundos, mas na maioria dos provetes o processo de regeneração e de união dos provetes não estava a ocorrer dentro do esperado. Desse modo, aumentou-se o tempo de indução para 80 segundos e utilizou-se elástico a envolver o provete, e que permitiu resolver essa situação para todos provetes. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tmed Th Tv Temperatura [°C] CR CF CAF Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 86 (a) (b) (c) Figura 72 - Provete CR2A (a) antes do ensaio; (b) fenda do provete; (c) depois da indução Após a recolha e a organização dos dados obtidos do ensaio de rotura (força e deslocamento), analisaram-se os valores mais importantes para cada provete, a força máxima e a deformação de pico. Porém, traçaram-se gráficos da curva força vs. deslocamento para todos os provetes ensaiados, que são apresentados na Figura 73 para um provete representativo de cada mistura betuminosa em estudo. (a) (b) (c) Figura 73 - Evolução da força com o deslocamento nos quatro ensaios de fratura: (a) CR3B; (b) CF3B; (c) CAF6 0 2 4 6 8 10 0.0 0.4 0.8 1.2 Força [kN] Deslocamento [mm] 1º SCB 2º SCB 3º SCB 4º SCB 0 2 4 6 8 10 0.0 0.4 0.8 1.2 Força [kN] Deslocamento [mm] 1º SCB 2º SCB 3º SCB 4º SCB 0 2 4 6 8 10 12 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 Força [kN] Deslocamento [mm] 1º SCB 2º SCB 3º SCB 4º SCB Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 87 Adicionalmente, neste ensaio de caraterização mecânica também se quantificou a energia de fratura (Figura 74) ao ensaiar cada provete nos quatro ensaios de fratura, de acordo com a Equação 6. Figura 74 - Representação da energia ou trabalho de fratura (Wf) 𝐺𝐺𝑟𝑟= 𝑤𝑤𝑟𝑟 𝑡𝑡−(𝑤𝑤−𝑎𝑎) (6) Onde: 𝐺𝐺𝑟𝑟 é a energia de fratura, medida em Joules por milímetro ao quadrado (J/mm2); 𝑤𝑤𝑟𝑟 é o trabalho de fratura, medido em kilo Newton vezes milímetro (kN·mm); 𝑡𝑡 é a espessura do provete, medida em milímetro (mm); 𝑤𝑤 é a altura média do provete, medido em milímetro (mm); 𝑎𝑎 é a altura do entalhe, medido em milímetro (mm). Os resultados obtidos em cada ensaio relativos à energia de fratura são apresentados na Tabela 10, e serviram para ajudar a analisar a capacidade de regeneração de cada mistura betuminosa. Tabela 10 - Valores médios da energia de fratura em cada ensaio para cada mistura betuminosa Mistura Média de Gf [kJ/m2] 1ª Fratura 2ª Fratura 3ª Fratura 4ª Fratura CAF 972,2 72,8 255,4 164,2 CF 728,0 4,3 7,2 10,4 CR 510,6 1,2 6,5 9,7 0 2 4 6 8 10 0.0 0.2 0.4 0.5 0.7 0.9 Força [kN] Deslocamento [mm] Wf 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 88 Neste ensaio também se quantificou a capacidade de autorregeneração das misturas betuminosas. O Healing Level (HL) foi calculado pelo quociente entre a máxima força resistente da amostra depois de ser induzida e a máxima força resistente antes de ser induzida (Equação 1). Os valores do HL obtidos desse modo são apresentados na Figura 75. Figura 75 - Nível de autorregeneração (HL) dos provetes semicirculares nos quatro ensaios realizados (1º ensaio antes da indução; 2º a 4º ensaios após 1º a 3º ciclo de indução) Em primeiro lugar, é importante referir que pela análise das curvas dos gráficos da Figura 73, os provetes semicirculares no ensaio de rotura apresentaram um comportamento frágil, conforme se esperava, devido à temperatura muito baixa dos mesmos (-20 °C). Com base nos dados obtidos é notório concluir que o dano induzido pelo ensaio de fratura foi recuperado de forma bem mais significativa na mistura betuminosa com ASIC. Além da força resistente máxima da mistura no 2º, 3º e 4º ensaio recuperar cerca de 40% da força resistente máxima inicial, pela análise da Figura 75 e da Tabela 10 também se percebe que existe um incremento do deslocamento de pico destas misturas. Daí a razão de os valores da energia de fratura para a mistura de ASIC serem bastantes superiores aos valores das restantes misturas betuminosas. Relativamente às outras misturas, tanto a mistura convencional como a mistura apenas com fibras têm baixos valores de autorregeneração e de energia de fratura após o 1º ensaio. Por último, o ensaio de indução nos provetes semicirculares também se procedeu de acordo com os procedimentos previamente definidos e não ocorreram nenhuns contratempos. Contrariamente ao que aconteceu com as vigas, nos provetes semicirculares foi evidente a influência do ASIC e das fibras metálicas na potenciação da rapidez de aquecimento das misturas. As temperaturas atingidas no processo de autorregeneração dos provetes semicirculares são apresentadas na Figura 76. 0% 10% 20% 30% 40% 50% Fr max 2/Fr max1 Fr max 3/Fr max 1 Fr max 4/ Fr max 1 Healing Level (HL) CAF CF CR Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 95 Fakhri, M., Bahmai, B.B., Javadi, S., Sharafi, M. (2020). 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Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 100 ANEXOS Tabela 11 - Temperaturas atingidas na indução das vigas Viga Potência [W] Δt [s] 1ª Indução 2ª Indução Tmed [°C] Th [°C] Tv [°C] Tmed [°C] Th [°C] Tv [°C] CR4 900 210 68,1 75,8 79,5 - CR5 900 210 68,0 75,6 90,1 64,1 58,8 78,6 CR6 900 210 61,5 67,5 70,5 62,9 60,6 85,6 CR7 900 210 67,1 75,3 78,6 - CR8 900 210 67,0 73,2 74,4 - CR9 900 210 64,2 76,2 77,7 64,2 57,4 79,4 CF4 900 210 72,2 78,2 63,6 68,5 61,9 58,1 CF5 900 210 63,8 66 50,5 - CF6 900 210 68,1 74,3 59,3 - CF7 900 210 69,0 62,5 52,6 - CF8 900 210 67,5 72,3 59,0 63,7 58,9 44,0 CF9 900 210 69,4 58,1 69,9 66,3 62,9 44,8 CAF4 900 210 61,3 58,8 78,9 64,6 80,6 46,5 CAF5 900 210 64,4 80,1 44,0 - CAF6 900 210 66,1 81,6 42,8 - CAF7 900 210 64,0 78,2 44,9 65,1 79,6 47,6 CAF8 900 210 65,3 80,8 41,1 - CAF9 900 210 64,2 78,0 44,3 65,0 79,5 49,5 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 101 Tabela 12 - Dados e resultados do ensaio de resistênca à fadiga Viga Extensão [×10-6] 1º Ensaio 2º Ensaio 3º Ensaio Tipo Módulo [MPa] Nº ciclos Tipo Módulo [MPa] Nº ciclos Tipo Módulo [MPa] Nº ciclos Inicial Paragem Inicial Paragem Inicial Paragem CR4 200 35% 7303 5073 12000 Rotura 7318 3332 31102 - CR5 200 35% 6807 4793 24448 35% 6872 4489 33433 Rotura 6344 3055 81365 CR6 200 35% 8056 5625 31922 35% 7955 5390 28793 Rotura 7744 3301 35018 CR7 200 35% 7279 4957 20000 Rotura 7131 3743 37234 - CR8 200 35% 7764 5235 18833 Rotura 7878 3158 40190 CR9 200 35% 7416 4869 41391 35% 7352 4809 37436 Rotura - - - CF4 200 35% 8033 5544 22381 35% 7388 4533 9093 Rotura 6640 2898 8193 CF5 200 35% 7328 4718 14361 Rotura 7046 3522 15111 - CF6 200 35% 7954 5527 29003 Rotura 7339 3257 40748 CF7 200 35% 8333 5320 39212 Rotura 5913 1496 2639 CF8 200 35% 7826 5328 18911 35% 7643 4965 6685 Rotura 7014 1355 3403 CF9 200 35% 7871 5187 26363 35% 7654 4937 12872 Rotura 7669 3360 14301 CAF4 200 35% 8043 5137 14173 35% 7669 5041 10854 Rotura 7808 3310 12343 CAF5 200 35% 8181 5258 13122 Rotura 7395 1465 36347 - CAF6 200 35% 8048 4975 12004 Rotura - - 11616 CAF7 200 35% 7992 5270 19274 35% 7304 4766 17603 Rotura 7358 3613 21038 CAF8 200 35% 7016 5055 4877 Rotura 6814 1795 3720 - CAF9 200 35% 8145 5538 24854 35% 7822 5091 22053 Rotura 7878 4147 34558 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 102 Tabela 13 - Temperaturas atingidas na indução dos provetes semicirculares Provete Δt [s] Potência [W] 1ª Indução 2ª Indução 3ª Indução Tmed [°C] Th [°C] Tv [°C] Tmed [°C] Th [°C] Tv [°C] Tmed [°C] Th [°C] Tv [°C] CR1A 80 900 79,5 75,2 86,2 76,6 68,4 87,7 79,3 82,3 90,3 CR1B 80 900 83,9 86,1 96,3 80,3 97,8 94,8 81,3 90,1 93,2 CR2A 80 900 76,7 82,1 83,3 73,3 78,4 80,7 73,4 82,1 73,4 CR2B 80 900 72,9 74,2 83,8 74,5 81,3 88,9 79,8 93,6 93,5 CR3A 80 900 79,2 94,5 84,5 78,5 89,0 89,0 73,4 88,4 86,5 CR3B 80 900 74,0 83,3 78,5 74,9 87,7 84,8 72,2 85,9 82,0 CR4A 80 900 74,9 80,8 77,4 73,2 91,0 79,0 91,4 98,1 100,0 CR4B 80 900 76,1 79,5 79,3 76,6 81,7 81,4 81,8 85,8 89,2 CR5A 80 900 87,2 94,1 96,6 75,9 92,9 92,5 76,3 76,2 91,3 CR5B 80 900 81,1 93,4 84,0 78,8 95,2 84,7 77,2 93,2 83,4 CR6A 80 900 78,3 85,2 95,2 79,1 81,2 86,4 76,8 90,3 84,5 CR6B 80 900 73,9 79,6 79,3 73,4 79,2 81,9 71,3 79,0 80,5 CF1A 80 900 88,3 112,1 89,1 90,4 101 92,1 87,0 108,0 94,1 CF1B 80 900 99,4 106,5 108,0 92,2 101 101,0 96,3 108,3 91,7 CF2A 80 900 88,2 94,4 95,7 87,4 93,0 92,7 90,6 97,4 88,7 CF2B 80 900 91,1 80,1 90,1 92,6 70,0 92,7 89,0 98,4 91,3 CF3A 80 900 92,0 110,3 101,0 92,6 102,7 96,7 92,9 111,1 99,1 CF3B 80 900 89,4 111,2 99,4 89,5 90,0 106,0 87,0 114,5 99,0 CF4A 80 900 91,8 111,5 86,9 91,0 102,3 93,7 92,9 105,1 95,5 CF4B 80 900 97,5 103,2 104,0 97,1 100,7 105,0 97,4 104,0 99,2 CF5A 80 900 83,1 98,2 87,2 84,6 97,4 88,3 83,4 106,0 88,4 CF5B 80 900 93,2 114,5 90,9 91,3 89,4 91,4 92,3 110,8 94,1 CF6A 80 900 106,2 108,1 103,0 106,5 91,2 109,0 103,7 106,5 92,4 CF6B 80 900 88,3 104,7 86,3 99,0 92,3 107,0 97,5 108,2 101,0 CAF1A 80 900 104,2 118,0 94,1 103,7 120,7 106 102,8 124,1 96,0 CAF1B 80 900 105,7 125,0 96,9 95,1 112,8 94,8 102,0 123,6 96,0 CAF2A 80 900 106,5 122,9 100,0 99,5 120,6 94,5 104,1 123,9 96,9 CAF2B 80 900 91,7 113,0 86,9 101,7 120,4 93,4 97,1 120,2 94,9 CAF3A 80 900 107,6 115,5 98,5 103,3 116,6 100,0 102,0 117,2 96,5 CAF3B 80 900 102,1 119,1 92,3 105,8 122,0 95,8 101,1 122,8 87,1 CAF4A 80 900 Provete com fissura na superfície lateral CAF4B 80 900 107,4 125 102 106,3 118,8 106,0 106,1 123,6 99,4 CAF5A 80 900 100,2 124,1 92,6 99,5 123,1 94,7 102,0 125,0 92,7 CAF5B 80 900 103,5 124,2 98,9 103,2 119,9 99,9 100,9 122,3 93,3 CAF6A 80 900 106,6 124,7 94,3 99,9 108,8 89,7 103,4 123,0 92,6 CAF6B 80 900 107,3 123,2 97,8 106,2 120,3 102,0 105,5 121,6 96,9 Utilização de resíduos siderúrgicos como elemento potenciador de soluções de reparação de pavimentos 103 Tabela 14 - Dados e resultados do ensaio de rotura por flexão em três pontos Provete 1º Ensaio 2º Ensaio 3º Ensaio 4º Ensaio F [kN] δ [mm] Gf [kJ/m2] F [kN] δ [mm] Gf [kJ/m2] F [kN] δ [mm] Gf [kJ/m2] F [kN] δ [mm] Gf [kJ/m2] CR1A 10,7 1,2 684,3 - 0,6 0,2 3,1 1,6 0,5 24,8 CR1B 9,6 1,1 330,1 0,3 0,3 1,9 1,3 0,5 16,1 0,8 0,4 11,2 CR2A 9,7 0,6 288,7 0,2 0,1 0,1 0,2 0,1 0,2 0,7 0,2 4,0 CR2B 9,4 0,9 297,1 0,1 0,0 0,0 0,6 0,2 2,4 0,3 0,2 0,6 CR3A 9,2 1,4 527,7 0,3 0,1 0,6 0,3 0,2 1,2 0,4 0,2 2,1 CR3B 9,8 1,1 883,7 0,9 0,3 4,7 1,5 0,4 18,9 1,7 0,4 22,6 CR4A 8,7 1,3 381,4 0,5 0,5 3,8 1,3 0,4 13,0 1,0 0,3 6,8 CR4B 9,0 0,6 221,6 0,2 0,2 0,8 1,2 0,5 14,4 0,6 0,4 9,9 CR5A 10,1 0,7 339,0 0,4 0,3 1,6 0,4 0,2 1,9 0,8 0,3 6,4 CR5B 10,7 0,8 415,8 0,3 0,2 0,6 0,5 0,3 0,0 0,7 0,3 5,7 CR6A 10,3 1,2 1334,1 - 0,5 0,3 3,0 1,5 0,4 19,3 CR6B 10,0 1,2 423,5 0,3 0,2 0,8 0,7 0,2 3,4 0,6 0,2 3,4 CF1A 8,1 0,8 327,6 0,6 0,3 3,4 1,0 0,4 6,7 1,3 0,5 33,1 CF1B 10,8 1,5 723,8 1,2 0,4 9,1 1,2 0,4 3,9 - CF2A 10,7 1,3 795,2 0,4 0,2 1,2 0,7 0,4 5,9 0,6 0,2 2,8 CF2B 9,2 1,2 459,9 - 1,0 0,3 10,7 0,4 0,2 1,8 CF3A 10,9 1,4 845,6 0,4 0,3 3,6 0,5 0,2 0,6 0,3 0,2 1,0 CF3B 8,8 0,9 455,1 1,0 0,4 15,4 1,2 0,4 16,9 1,5 0,6 19,1 CF4A 11,1 1,2 539,7 0,1 0,1 0,1 0,6 0,2 1,5 0,8 0,3 5,2 CF4B 11,8 1,3 1243,2 0,3 0,5 3,4 0,3 0,2 1,3 0,3 0,2 1,2 CF5A 11,6 1,4 1506,5 - 0,4 0,2 1,0 0,7 0,3 5,0 CF5B 10,2 0,9 779,3 0,4 0,1 0,5 0,6 0,2 1,8 0,8 0,2 3,6 CF6A 10,0 1,2 390,1 0,2 0,1 0,5 0,4 0,3 2,4 0,3 0,2 1,4 CF6B 8,7 1,0 669,9 1,0 0,5 14,5 0,8 0,6 33,4 2,0 0,6 50,5 CAF1A 8,9 1,1 716,1 3,2 0,6 78,7 4,2 1,1 229,4 3,7 0,8 155,5 CAF1B 11,4 1,2 872,5 3,6 0,9 170,1 4,3 0,9 274,7 3,3 0,9 174,8 CAF2A 5,2 1,2 904,4 1,9 0,6 35,4 3,9 1,4 603,2 3,3 0,9 157,1 CAF2B 10,4 1,6 1214,3 2,4 1,4 90,8 2,2 1,4 118,7 2,5 1,2 87,1 CAF3A 9,0 1,1 747,6 1,9 0,7 66,2 3,2 1,1 184,7 2,9 0,9 117,7 CAF3B 7,0 1,1 521,4 - 4,3 1,9 570,1 3,5 1,6 386,1 CAF4A Provete com fissura na superfície lateral CAF4B 9,7 1,3 501,6 1,8 0,6 28,4 2,0 0,7 38,4 1,9 0,7 36,6 CAF5A 12,1 1,4 882,6 - 2,9 0,7 74,9 2,7 0,5 21,0 CAF5B 10,5 1,4 1223,7 3,6 0,9 108,6 4,1 1,1 194,0 3,4 0,8 118,3 CAF6A 11,7 1,4 1170,6 2,4 0,9 77,9 2,9 0,7 100,8 2,8 1,3 170,2 CAF6B 10,7 1,3 1149,8 4,1 1,0 217,4 5,9 1,4 676,5 3,7 1,6 546,2