SUMÁRIO

INTRODUÇÃO...................................................................................................................2

OBJETIVOS........................................................................................................................2

ARTIGO 01: Caracterização microestrutural da argila expandida para aplicação como

agregado em concreto estrutural leve........................................................................................3

Objetivos..........................................................................................................................3

Materiais e métodos.........................................................................................................3

Resultados e Discussão....................................................................................................4

ARTIGO 02: Incorporação de lama de mármore e granito em massas argilosas.............5

Objetivos..........................................................................................................................5

Materiais e Métodos.........................................................................................................5

Resultados e Discussão....................................................................................................6

ARTIGO 03: Caracterização de cinza de casca de arroz para uso como matéria-prima

na fabricação de refratários de sílica.........................................................................................7

Objetivos..........................................................................................................................7

Materiais e Métodos.........................................................................................................7

Resultados e Discussão....................................................................................................8

ARTIGO 04: Efeito da adição de SBS nas propriedades químicas e reológicas de asfalto

oriundo do petróleo brasileiro..................................................................................................10

Objetivos........................................................................................................................10

Materiais e Métodos.......................................................................................................10

Resultados e Discussões................................................................................................11

CONCLUSÕES.................................................................................................................12

REFERÊNCIAS.................................................................................................................13

INTRODUÇÃO

Conhecer o comportamento dos diversos materiais que se tem disponíveis em diferentes áreas da Engenharia Civil é de fundamental importância para a otimização de seu uso, além de possibilitar o próprio desenvolvimento tecnológico desses materiais. As técnicas de caracterização permitem o conhecimento sobre o comportamento físico e químico dos materiais, de acordo com o objetivo do pesquisador.

Dentro da linha de pesquisa de comportamento e dimensionamento estrutural e de mecânica computacional, e pesquisando especificamente sobre os problemas de contato entre solo e estrutura, fazer estudos de materiais como o aço e concreto e com o auxílio das técnicas de caracterização desses materiais pode se chegar a um maior entendimento sobre o próprio comportamento estrutural.

O presente trabalho se limitou à pesquisa do emprego das técnicas de caracterização de materiais apresentados em sala de aula em diferentes áreas como agregado leve para concreto, cimento asfáltico e materiais refratários.

OBJETIVOS

O objetivo do presente trabalho é pesquisar a aplicabilidade das técnicas de caracterização de materiais, apresentadas em sala de aula, em diversos artigos encontrados em bibliografias especializadas.

Para o entendimento das aplicações das diferentes técnicas é necessário entender sua necessidade, seu uso, o modo de preparo das amostras, se os objetivos foram alcançados, quais são eles e as conclusões tiradas disto.

Foram estudados 4 artigos onde foram contempladas, principalmente, as seguintes técnicas de caracterização de materiais:

As técnicas utilizadas em cada artigo foram citadas e seu uso, como foram realizadas, resultados e conclusões foram explicados posteriormente, em resultados e discussões.

Análise Química

Fluorescência de Raios-X (FRX)Espectroscopia de Absorção Atômica (AAS)Espectroscopia de Emissão Atômica (EAS)Espectroscopia de Infravermelho (IRS)

Difração de Raio-X (XRD)

Análise Térmica

Análise Termogravimétrica (TGA)Análise Térmica Diferencial (DTA)Calorimetria de Varredura Diferencial (DSC)

Propriedades Físicas

Densidade (Bulk Density)Área Superficial (BET)Tamanho dos Grãos

Microscopia Eletronica de Varredura (MEV) com Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS).

ARTIGO 01: Caracterização microestrutural da argila expandida para aplicação como agregado em concreto estrutural leve

Autores: W.G. Moravia, C.A.S. Oliveira, A.G. Gumieri, W.L. Vasconcelos.Departamento de Engenharia Metalúrgica, Universidade Federal de Minas Gerais.

Objetivos

Caracterizar a argila expandida disponível no mercado visando sua utilização na fabricação de concretos sabendo que sua utilização é economicamente viável devido à redução da massa específica que estes agregados proporcionam, minimizando os carregamentos atuantes nas estruturas.

Materiais e métodos

a) Caracterização física: granulometria, massa unitária, massa específica real e a absorção de água do agregado:

O ensaio de granulometria foi realizado conforme NBR 7217 – Agregados – determinação da composição granulométrica. A massa unitária foi determinada segundo prescrições da NBR 7251-Agregado em estado solto-determinação de massa unitária.

A massa específica real foi obtida por picnometria com hélio. O material foi moído com a finalidade de expor os poros fechados (isolados), de forma que o volume medido correspondesse somente ao volume do sólido, excluindo-se os poros da amostra.

O teor de absorção foi obtido pelo método da norma NBR 9776 – Agregado – determinação da absorção e massa específica do agregado graúdo.

b) Caracterização mineralógica:

Técnica de difração de raios X (DRX) para determinar as principais fases cristalinas da amostra de argila expandida.

c) Análise morfológica e análise química elementar:

A análise morfológica e a análise química elementar das fases presentes na argila expandida foram obtidas pela técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) com analisador de raios X por dispersão de energia (EDS). Alguns grãos da amostra analisada apresentavam a superfície interna exposta, provavelmente devido ao processo de produção ou ao transporte. As fotomicrografias foram obtidas por elétrons secundários, da superfície interna exposta e da superfície externa dos grãos. Preparo das amostras: Metalizadas com filme de carbono.

d) Porosidade

A porosidade aparente da amostra foi determinada utilizando porosimetria por intrusão de mercúrio. Preparo das amostras: A análise foi realizada considerando-se o volume dos grãos da amostra na forma de agregados. Foram escolhidos agregados com dimensão de 9,5 mm por esta dimensão representar grande parte da granulometria da argila expandida estudada no artigo.

e) Resistência

Avaliação qualitativa a partir da comparação entre as resistências à compressão do concreto com brita calcária e do concreto produzido com argila expandida.

f) Análise química

Volumetria por complexão, com EDTA. (Ca e Mg);Gravimetria, solubilização com HCl, fluorização com HF (Si);Escpectrometria de absorção atômica (Al, Na, K);Volumetria, por óxi-redução, com dicromato de potássio (Fe);Combustão direta, com detecção por infravermelho (C);Calcinação a 1000ºC até peso constante (PPC).

Resultados e Discussão

Com base na análise granulométrica da argila expandida concluiu-se que a argila possui dimensão máxima característica de 19 mm. Não é possível classificar granulometricamente este agregado graúdo de acordo com as especificações da Norma NBR 7211 (Agregados para concreto) pois as porcentagens retidas acumuladas na peneira não são compatíveis com os limites granulométricos prescritos nesta norma. Recomendou-se, para um traço de concreto utilizando a argila expandida, que seja feita uma composição granulométrica deste agregado, para que a mesma corresponde como à granulometria do agregado convencional.

A massa unitária se encontra na faixa entre 300 kg/m3 e 650 kg/m3, correspondente às argilas expandidas produzidas em forno ativo. A massa específica real encontrada aproxima-se da massa específica da matéria-prima, pois quando moída, a matriz porosa da argila expandida não mais existirá. Assim, quanto maior o agregado de argila expandida, maior será a porosidade intrínseca do material, e menor será a massa unitária.

Apresentou alta absorção de água em relação a agregados convencionais, que está relacionada à estrutura porosa de seus grãos. (Durante um intervalo de 24 horas, sugeridos pela norma NBR 9776, a absorção de água não se estabilizou).

No ensaio de porosimetria por intrusão de mercúrio foi mostrado que a argila expandida apresenta uma alta porosidade aparente, fato que corrobora a alta absorção do agregado.

Os resultados da análise química foram apresentados juntamente de seus respectivos óxidos, comparando-se com os limites químicos para que a argila tenha características expansivas. Os limites não devem ser ultrapassados, pois a argila não se fundiria a uma temperatura suficientemente baixa, ou fundiria numa massa insuficientemente viscosa. Ao analisar os resultados percebe-se que nenhum dos limites foram ultrapassados no seu limite superior mas alguns não atingiram o mínimo especificado, o artigo não fala sobre uma possível consequência disto, diz apenas que no geral a composição química da amostra encontra-se dentro da faixa considerada para argilas com características expansivas.

Pelo difratograma identificou a presença de fases amorfas na argila expandida estudada. Pelo MEV verificou-se que a superfície externa da argila expandida apresenta textura mais lisa que a interna, visualizando-se que a superfície interna apresenta maior quantidade de pores, não ocorrendo interconectividade dos mesmos. A maior porosidade da superfície

interna foi justificada pelo surgimento de bolhas de gases originados no processo de fabricação da argila expandida.

No geral, apresentou uma grande incidência de elementos O, Si, Al e Fe. O alto teor de oxigênio encontro foi explicado pela sua presença na estrutura cristalina dos óxidos e silicatos que compõem a amostra.

A alta porosidade apresentada em relação aos agregados convencionais aumenta sua absorção de água. Essa elevada absorção de água, quando não prevista, pode ser prejudicial ao concreto, reduzindo sua trabalhabilidade. Parte da água necessária para hidratação dos compostos do cimento será absorvida por este agregado, reduzindo, possivelmente, a resistência mecânica do concreto. Como solução para o problema recomendou-se a saturação do agregado, uma pré umidificação ou a correção do teor de água utilizada na dosagem do traço do concreto.

Todos os traços de concreto leve apresentaram queda de resistência em relação aos respectivos trações do concreto de referência (com brita calcária). Concluiu-se portanto que a argila expandida possui menor resistência à compressão em relação à brita calcária.

ARTIGO 02: Incorporação de lama de mármore e granito em massas argilosas

Autores: J.B. Silvam D. Hotza, A.M. Segadães, W. AccharUniversidade Federal do Rio Grande do Norte, Universidade Federal de Santa Catarina e

Universidade de Aveiro (Portugal)

Objetivos

A utilização de resíduos industriais como aditivos na fabricação de produtos cerâmicos está se tornando uma prática cada vez mais comum do ponto de vista ambiental e econômico. O objetivo do artigo foi descrever o comportamento de uma argila utilizada na indústria de cerâmica vermelha, resultante de adições de uma lama de mármore e granito, podendo reduzir um grave problema ambiental das indústrias de mármore e granito como também uma fonte alternativa de matéria-prima para o setor cerâmico.

Materiais e Métodos

Preparo das amostras: Utilizou-se argila em torrões, coletada na indústria Cerâmica de São Gonçalo do Amarante, RN, e rejeito da indústria de beneficiamento de mármores e granitos do estado do Rio Grande do Norte. O rejeito, sob a forma de lama, foi primeiramente seco em estufa, sendo depois moído em moinho de bolas. A argila foi moída e passada em peneira de 60 mesh. Misturas contendo argila e rejeito de mármore e granito em concentrações variando de 10 a 50 % em peso, foram homogeneizadas em moinha de bolas e compactadas uniaxialmente em matriz metálica com uma pressão de compactação de 50 Mpa, sob forma de corpos de prova prismáticos. A adição de diferentes concentrações de rejeito resulta numa resposta de compactação diferente para as várias massas e, portanto, diferentes níveis de porosidade inicial dos corpos verdes. A utilização de uma pressão de compactação relativamente elevada teve por objetivo atenuar essas diferenças de modo a que as propriedades finais dos corpos sinterizados fossem pouco afetadas.

Os corpos de prova foram sinterizados ao ar em forno resistivo a temperatura entre 950 e 1150oC durante duas horas, com taxa de aquecimento de 10oC/min.

A composição química das matérias-primas foi determinada por fluorescência de raios X. A análise granulométrica foi feita em um granulômetro a laser. A análise das fases cristalinas nos materiais foi determinada por difração de raios X. As análises térmicas foram realizadas

com velocidade de 10oC/min, sob o fluxo constante de 50 mL/min de ar sintético. Os ensaios de dilatometria foram realizados na mesma velocidade de aquecimento.

Resultados e Discussão

A argila estudada tem uma composição típica deste tipo de material, ou seja, é rica em sílica e alumina. A perda ao fogo de 7,6% está dentro da faixa habitual para as argilas usadas em cerâmicas vermelhas, geralmente associada a perda de constituintes voláteis, queima de matéria orgânica e decomposição de carbonatos. O componente minoritário principal é o óxido de ferro, presente em um teor particularmente elevado (11,66%), que irá conferir uma coloração escura aos corpos de prova. O rejeito de mármore e granito é constituído predominantemente por sílica e alumina e destaca-se por conter teores elevados de CaO e óxidos fundentes. Estes óxidos irão ter influência marcante durante a queima, promovendo a formação de fase líquida e favorecendo a sinterização e a densificação. A perda ao fogo do rejeito é mais baixa do que seria esperado se todo o CaO fosse proveniente de calcita CaCO3, indicando a presença de outros materiais contendo cálcio. Adições de rejeito à argila original alterações significativas apenas dos teores de óxidos de cálcio e de ferro e da perda ao fogo, mantendo-se a sílica e a alumina como componentes majoritários.

Os difratogramas de raios X da argila e do rejeito mostram que a argila é constituída principalmente por quartzo e ilita, podendo ser observados picos pouco intensos de muscovita, ortoclase e hematita. O rejeito é constituído essencialmente por quartzo, anortita, calcita e dolomita com picos menos intensos de hematita, albita e microclima. A presença de anortita explica a discrepância entre os valores encontrados para perda ao fogo e o teor de CaO. As fases cristalinas encontradas confirmam as composições químicas da argila e rejeito.

O comportamento térmico do rejeito de mármore e granito concorda com os resultados da difração de raios X. A análise termogravimétrica mostra uma perda de massa pequena entre 40 e 100oC, correspondente a perda de água livre, seguida de uma outra de 100 a 700oC relativa a perda de água adsorvida. Por último, até 880 oC houve uma perda de massa mais acentuada que pode ser atribuída a decomposição dos carbonatos (calcita de dolomita). Picos endotérmicos (perda de água e decomposição de carbonatos) e um pico exotérmico (formação de novas fasas cristalinas, silicatos) após da decomposição da calcita e dolomita.

Os dois materiais tem um comportamento dilatométrico bem distinto: A argila apresente uma expansão uniforme até 870oC, seguida de retração em torno dos 100 oC. O rejeito tem forte contração em cerca de 800 oC e um expansão significativa em 900 oC, o que confirma a formação de novas fases cristalinas, também observada por análise térmica.

As análises granulométricas dos materiais investigados mostraram que 50% da argila apresentaram diâmetro inferior a 5 micrometros. O rejeito é constituído por partículas pequenas mas com uma grande dispersão de tamanhos, de 2 a 100 micrometros. Diâmetros médio de 23,75 micrometros.

As adições de rejeito à argila causam alterações significativas dos teores de óxidos de cálcio e de ferro, mantendo-se a sílica e alumina como componentes majoritários. A quantidade de líquido diminui quando o teor de rejeito aumenta.

Os valores de massa específica aumentam com a elevação da temperatura de sinterização. Os valores de absorção de água aumentam com o aumento da concentração do rejeito e diminuem quando a temperatura de sinterização se eleva. Os valores de densidade mais altos e de absorção de água mais baixos foram obtidos para temperaturas mais elevadas, independente do teor de rejeito.

Qualquer que seja a temperatura de sinterização, a tensão de ruptura tende a ser máxima em torno de 30% de rejeito.

Os valores máximos de tensão de ruptura foram obtidos para temperaturas de 1100 a 1150 oC, embora estas temperaturas sejam tecnologicamente altas para a fabricação de tijolos maciços e blocos de alvenaria. Maiores quantidades de rejeitos a temperaturas baixas originam uma diminuição dos valores de resistência mecânica, o que pode ser consequência de uma porosidade alta. Mesmo os resultados obtidos as temperaturas mais baixas foram compatíveis com os especificados pelas normas para uso de cerâmica vermelha.

Os resultados mostram que é possível adicionar elevadas concentrações de rejeito de mármore e granito a massas argilosas, sem prejudicar a qualidade e propriedades do produto final. O processamento verde não foi objeto de estudo. Relativamente à queima, os corpos sinterizados apresentaram, em todas as temperaturas investigadas, propriedades melhores que as especificadas pelas normas de cerâmica vermelha, mostrando ser possível a incorporação do rejeito de mármore e granito na fabricação de materiais daquele tipo, mesmo em baixar temperaturas.

ARTIGO 03: Caracterização de cinza de casca de arroz para uso como matéria-prima na fabricação de refratários de sílica

Autores: Viviana Possamai Della, Ingeborg Kühn e Dachamir HotzaUniversidade Federal de Santa Catarina

Objetivos

A fabricação de materiais cerâmicos do tipo refratário ou isolante que utilizem cinza de casca de arroz seja como componente principal ou secundário, é uma alternativa para solucionar o problema da disposição das cinzas no meio ambiente, além de gerar um produto de maior valor agregado sem que haja a produção de um novo resíduo.

Materiais e Métodos

Preparo da amostra: Cinza de casca de arroz (CCA) na forma de pó, orientada aleatoriamente.

Foram realizados ensaios de análise térmica diferencial (ATD) e termogravimétrica (TG). Análise de difração de raio X foi realizado no difratômetros XPERT da Philips, com tubo de Cu (K).

O valor da área superficial foi determinado pelo método B.E.T. por adsorção de nitrogênio.

Para a determinação da distribuição da CCA foi adotada o peneiramento a seco segundo procedimento da AICE, e a técnica de difratometria a laser utilizando-se equipamento Cilas 1064L, que usa água destilada como meio suspensor a temperatura de 23 +/- 1 oC.

A unidade residual da cinza foi determinada através da diferença percentual da cinza in natura e após a secamem em estufa a 60 oC durante 48 horas.

O teor de carbono foi determinado através da média obtida pelo método de calcinalão em forno tubular a temperatura de 500 oC por 90 min e pelo método gravimétrico, por solução de hidróxido de bário.

A determinação do teor de materiais voláteis foi feita conforme especificação da norma MB-15/NBR 9290.

A densidade picnométrica foi determinada no picnômetro Nova 1000 da Quantachrome, estado do material: pó.

Para a caracterização microestrutural, a CCA foi depositada sobre fita de carbono e então recoberta com fino filme de ouro. Foi então observada por MEC. A determização da

composição química qualitativa foi realizada em microssonda com espectrômetro de energia dispersiva (EED) acoplada ao MEV, quando a análise quantitativa foi realizada através da técnica de fluorescência de raios-X (FRX), a partir do resíduo da perda ao fogo a 1000 oC.

Para a determinação da fusibilidade (cone de fusão), referente ao método de ensao 1.2 AICE, a CCA foi seca e moída até resíduo igual ou inferior a 2% em malha 100 mesh. A partir desta cinza foram feitos dois cones com dimensões de 35 mm de altura e 35 mm de diâmetro. O processo de queima desses cones inicou com aquecimento de temperatura ambiente até 1280 oC, seguindo uma taxa de aquecimento de 5 oC/min, com um patamar de queima de 6 min nesta temperatura. Após resfriamento foram medidas as variações dimensionais dos cones quanto à altura e diâmetro.

Resultados e Discussão

A análise química revelou um percentual de SiO2 de 96,65% com principais impurezas de K2O, CaO, Al2O3, MgO e P2O5 (Menos de 1%). Dentre esses óxidos detectados, K2O, CaO e P2O5 são considerados fundentes e formadores de fase vítrea, uma vez que tendem a baixar o ponto de fusão e por isto são indesejáveis em materiais refratários.

Comparando o percentual dos óxidos obtidas na amostra com os valores da literatura nota-se que o teor de SiO2 está acima dos valores comumente encontrados e que o percentual dos outros elementos está abaixo. Estes resultados indicam que a matéria-prima em análise apresenta composição química favorável à produção de refratários silicosos, não necessitando, a princípio, correção de composição por adição de outras matérias-primas.

A análise mineralógica mostrou que a cinza apresenta sílica na fase amorfa. A presença de sílica amorfa ou cristalina está diretamente ligada à temperatura e ao método de obtenção da cinza. Quando a temperatura de queima da CCA é baixa ou quando o tempo de exposição das mesmas é pequeno, a sílica é predominantemente amorfa. Os outros elementos detectados pela análise química devem estar presentes sob a forma de solução sólida, uma vez que os mesmos não mostraram picos característicos de fases, provavelmente devido ao seu teor bastante baixo.

O valor encontrado para a área superficial da cinza utilizada foi de 177m2/g, que é ligeiramente maior que os valores encontrados na literatura. Esse valor varia de acordo com a temperatura da queima das cascas para formação das cinzas. A tendência de decréscimo da área superficial com o aumento de temperatura está relacionado com o fato da superfície das partículas sofrerem fusão e agregarem-se umas às outras.

Com o resultado da distribuição granulométrica via laser verificou-se que o tamanho médio das partículas é de 40 micrometros. Cerca de 8% da amostra tinha tamanho inferior a 4 micromentros que pode ser problemático do ponto de vista de segurança dos trabalhadores envolvidos num processo que tenha a CCA como matéria prima (doença silicose, compromete vias respiratórias podendo causar câncer).

O peneiramento, realizado a seco, avalia-se o tamanho das partículas e aglomerados simultaneamente. Na difração a laser verifica-se a dispersão dos aglomerados, neste ensaio o pó é suspenso em água destilada e submetido à agitação, resultando em menores valores.

O teor de umidade ficou em 3%, dentro da faixa de umidade natural da cinza, encontrada na literatura.

O percentual médio de carbono detectada pelas técnicas de análise foi de 8,8%, valor proporcional a quantidade de oxigênio livre na combustão.

A cinza apresentou cerca de 0,3% de materiais voláteis, valor dentro da faixa encontrada por outros autores.

A densidade picnométrica apresentou valor de 1,3 g/cm3, o que indica que as partículas de CCA são mais leves, ou seja, mais porosas em relação a sílica vítrea. A densidade da cinza é em função da temperatura de queima. O aumento da temperatura leva à redução da

quantidade de substâncias voláteis e, em consequência, ao aumento da porosidade interna da cinza, inferindo assim sobre sua densidade.

A partir das análises térmica diferencial e termogravimétrica constatou-se que entre 50°C e 600°C na curva da análise termogravimétrica (TG), tem-se uma perda de massa de 22,5% decorrente da eliminação da água adsorvida sobre as partículas de cinza, água de constituição, combustão de carbono e liberação de substâncias voláteis presentes.

Entre 50ºC e 200ºC ocorreu uma perda de massa em torno de 2% devido basicamente à eliminação de água adsorvida superficialmente. Nesta mesma faixa de temperatura, observa-se um pico endotérmico aproximadamente por volta de 100ºC na curva de análise térmica diferencial (ATD), também devido à perda de água adsorvida, etapa que se completa por volta dos 200ºC. Entre 300ºC e 600ºC, observa-se a maior perda de massa, em torno de 20,5% devido à eliminação de água de constituição, materiais voláteis e combustão de carbono. Em 480ºC evidencia-se um pico exotérmico na curva de ATD característico da combustão do carbono, o qual permanece na cinza após a queima da casca, a eliminação da água de constituição e materiais voláteis, que coincide com a curva de TG nesta faixa de temperatura. Não foi evidenciada a presença de nenhum pico característico de formação de fase antes de 1000°C. A 1100°C, observou-se um pequeno pico exotérmico referente a máxima cristalização da fase cristobalita.

A caracterização microestrutural mostrou presença de partículas grandes (~1mm) e pequenas (< 0,5 mm), com predominância das menores. O formatos alongado e contorcido, com aparência de espiga de milho é provocado pelo processo de queima.

A epiderme interna da CCA apresenta uma estrutura celular porosa resultante da remoção de lignina e celulose presentes na casca durante a queima, um vez que a celulose é o maior constituinte da casca.

A sílica presente na cinza está concentrada primeiramente dentro da epiderme externa em direção ao meio da estrutura da casca, porém, uma pequena mas significante quantidade de sílica reside dentro da epiderme interna, adjacente ao grão de arroz.

De acordo com a análise química por EED, constatou-se que os elementos com maior concentração foram o oxigênio e o silício que estão combinados na forma de óxido.

De acordo com o teste de fusibilidade considera-se a CCA um material com características refratárias pois o cone de fusão apresentou variações nas suas dimensões quando queimado a 1280oC.

De acordos com os resultados, é possível concluir que a maior potencialidade da CCA está na fabricação de materiais refratário a base de sílica. O alto ponto de fusão, a baixa densidade picnométrica e a alta porosidade, aliados à grande disponibilidade e ao baixo custo da cinza, são indicativos de um material com bom potencial para fabricação de tijolos refratários como os necessários em fornos siderúrgicos.

O elevado teor de óxido de silício, na forma amorfa, mostra que a CCA é uma fonte natural e renovável de sílica. Os teores muito baixos de óxidos fundantes afetam na refratariedade do material, diminuindo-o. Elevado teor de carbono mostra que a CCA foi queimada a baixa temperatura. A sílica amorfa é predominantemente pequena de formato alongado e contorcido.

ARTIGO 04: Efeito da adição de SBS nas propriedades químicas e reológicas de asfalto oriundo do petróleo brasileiro

Autores: M.C.C. Lucena, S.A. Soares, J.B. SoaresUniversidade Federal do Ceará

Objetivos

As descobertas de petróleo pesado no brasil e o preço elevado do petróleo importado levaram as refinarias produtoras de asfalto a substituírem petróleos venezuelanos por petróleos brasileiros. O cimento asfáltico de petróleo (CAP) apresenta problemas quanto a sua estabilidade a altas temperaturas, flexibilidade a baixas temperaturas e resistência ao envelhecimento, que podem ser melhorados quando adiciona-se polímeros.

O ligante asfáltico quando modificado com copolímero de estireno e butadieno (SBS) torna-se mais estável a temperaturas elevadas, mais flexível a temperaturas baixas, mais resistente ao envelhecimento e apresenta maior elasticidade que o CAP convencional. O objetivo deste artigo é de estudar as propriedades químicas e reológicos de um CAP produzido de petróleo brasileiro e verificar a adição de 4,5% de SBS nas propriedades desse asfalto.

Materiais e Métodos

O CAP modificado foi preparado utilizando-se um agitador de baixo cisalhamento com agitação constate de 1089 rpm por um período de 3 horas a 175oC. A compatibilização da mistura foi favorecida pela adição de 3% de um extrato aromático. Após a realização da mistura foi feito o ensaio de compatibilidade seguindo o ASTM D5892. A compatibilidade do polímero e do asfalto durante a estocagem a quente é avaliada pela comparação do ponto de amolecimento (PA), realizado conforme o ASTM D-36, de amostras do topo e do fundo retiradas de um tubo condicionado e selado. O condicionamento consiste na colocação de um tubo selado, com asfalto modificado na posição vertical, em um forno a 163 °C ± 5 °C por um período de 48 horas. A estabilidade à estocagem é determinada pela diferença entre o PA das amostras do topo e fundo de um mesmo tubo.

Um fluido é dito Newtoniano se a viscosidade independe da taxa de cisalhamento, e considerado pseudoplástico ou dilatante, conforme a viscosidade decresce ou cresce com o aumento desta, respectivamente. Neste estudo a viscosidade foi determinada conforme a metodologia descrita na norma ASTM D4402 utilizando-se o viscosímetro Brookfield modelo DVII+ acoplado a um controlador de temperatura THERMOSEL. Foram utilizadas as seguintes temperaturas: 135, 150 e 175 °C a diferentes taxas de cisalhamento.

O CAP modificado foi aquecido usando-se uma estufa de filme fino rotativo (RTFOT) conforme o ASTM D2872. Esse método de teste ajuda a detectar mudanças nas propriedades do asfalto que podem ocorrer durante a usinagem a 150 °C indicadas por variações nas medidas reológicas. Também pode ser usado para se determinar a variação de massa indicando assim a volatilidade do asfalto. Aproximadamente 35 g de amostra foram aquecidas a 163°C durante 85 minutos e resfriadas a temperatura ambiente. A alteração das propriedades após o envelhecimento do CAP modificado foi acompanhada por determinação de ensaios dinâmicos mecânicos e caracterização estrutural através da análise dos espectros de absorção no infravermelho (FTIR).

Após o envelhecimento os espectros FTIR foram obtidos em um espectrômetro FTIR da Shimadzu modelo FTIR-8300. Os espectros foram obtidos na faixa de 400 a 4000 cm-1 em pastilhas de KBr.

O reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) foi usado para a observação do comportamento viscoso e elástico do ligante a temperaturas elevadas e intermediárias. O DSR mede o módulo de cisalhamento complexo G* e o ângulo de fase δ (defasagem entre a máxima deformação aplicada e a máxima tensão de cisalhamento). G* é formado por dois componentes: o módulo elástico G’ recuperável e o módulo viscoso G’’ não-recuperável. Os ensaios dinâmicos mecânicos foram estudados em CAP’s modificados originais e envelhecidos utilizando-se um DSR da TA Instruments, modelo CSA100, nas temperaturas

determinadas em especificação SHRP (faixa de 52 a 82 °C) a uma freqüência de 10 rad/s. Em um molde de silicone foi preparado um corpo de prova de aproximadamente 1 mm de espessura e 25 mm de diâmetro e testado em “spindles” de placas paralelas com diâmetro de 25 mm. O método empregado foi o da AASHTO TP5.

Foi realizada na análise térmica DSC (O CAP e CAPSBS4,5 foram aquecidos em um sistema Shimadzu DSC-50 utilizando-se um fluxo de gás hélio de 50 mL.min-1. Foram aquecidos 10 mg de amostra a uma razão de 5°C.min-1 na faixa de temperatura que variou de-80 a 100 °C. A transição vítrea foi medida na curva de aquecimento. No TGA curvas termogravimétricas foram obtidas utilizando-se de um sistema Shimadzu TGA-50, em atmosfera inerte (N2) e oxidativa. Foram aquecidos 10 mg de CAP e CAPSBS4,5 num intervalo de temperatura entre 25 e 600 °C, na taxa de aquecimento de 10 °C.min-1.

A amostra de CAP puro foi analisada por espectroscopia 13C RMN e 1H RMN em solução de clorofórmio deuterado. Os experimentos foram realizados em espectrômetro Bruker DRX-500 operando a 500 MHz no 1H e a 125 MHz no 13C. A medida do 13C foi realizada em solução de concentração 40% preparada por dissolução da amostra em clorofórmio deuterado contendo um reagente de relaxação. O tetrametilsilano foi usado como padrão interno. Soluções para medida do espectro de 1H foram preparadas como descritas para o espectro de 13C com exceção do reagente de relaxação. As condições experimentais usadas foram: número de transientes de 500 para o 13C e de 128 para o 1H; sendo que o tempo de relaxação foi de 10 e 1 s para 13C e 1H, respectivamente.

Resultados e Discussões

Os resultados dos parâmetros reológicos obtidos no DSR para o CAP e o CAPSBS4,5 original e envelhecido mostraram que o teor de SBS influencia no desempenho do ligante a quente, melhorando suas propriedades do asfalto no que diz respeito a deformação permanente.

Foi mostrado o espectro de infravermelho do CAP antes e após o RTFOT. O ligante asfáltico apresentou mudanças nas suas características físicas e químicas quando submetido ao processo termo-oxidativo. Isto foi causado pela perda de voláteis ou espécies de baixo peso molecular e formação de ligações de hidrogênio (Masson et al., 2001). Evidenciou-se a formação de grupamentos carbonila devido ao aumento da absorção na freqüência de 1650 cm-1 atribuído ao estiramento C=O proveniente da oxidação do CAP. O aparecimento de uma banda em 1160 cm-1 foi atribuído a grupamentos de anidridos que também são formados após a oxidação. Observou-se uma quantidade pequena de grupamentos sulfóxidos formados, o que é evidenciado pela banda em 1030 cm-1 (estiramento S=O). Os produtos da oxidação tendem a formar grupos polares de forte interação que aumentam a viscosidade e alteram as propriedades de fluxo.

Observou-se, a partir dos espectros, que o CAP apresenta uma estrutura complexa com compostos naftênicos, aromáticos, saturados, olefinas e heteroátomos como oxigênio e enxofre. A ressonância magnética nuclear RMN quando aplicada a misturas complexas tais como o asfalto, não consegue definir totalmente compostos específicos, entretanto pode fornecer informações sobre a natureza química do material. Hagen publicou recentemente alguns resultados de 13C de asfaltos na tentativa de correlacionar esses ensaios com o desempenho do material.

Nas curvas termogravimétricas do CAP e CAPSBS4,5 verificou-se apenas um evento de decomposição (470 °C) e em atmosfera oxidativa foram observados quatro eventos. No primeiro evento a temperatura de decomposição (Td) foi de aproximadamente 336 °C. Os demais eventos ocorreram à temperatura de decomposição de 383, 453 e 547 °C, respectivamente.

Nas temperaturas acima da decomposição do CAP e CAP modificado, há uma grande reatividade dos produtos de decomposição com o oxigênio. Observou-se uma diminuição do teor de resíduos no processo quando o CAP e o CAPSBS4,5 foram submetidos à atmosfera oxidativa. A temperatura inicial de decomposição (Tdi) não foi alterada. A estrutura complexa do betume é composta de estruturas de caráter insaturado que apresentam alta reatividade frente ao oxigênio. Em ambas as atmosferas, não foi observada uma alteração na decomposição térmica do CAP quando se adicionou o SBS.

O ensaio DSC mostra as transições de fases ocorridas no CAP e CAPSBS4,5 observadas no ensaio de DSC. A temperatura de transição vítrea foi de 0 °C para o CAP e -5°C para o CAPSBS4,5, evidenciando-se uma melhoria nas propriedades a frio desse asfalto quando se adiciona o polímero. Não foi observado nenhum evento característico de cristalização de parafinas para este asfalto.

A caracterização química do CAP Fazenda Alegre mostrou uma estrutura típica de uma macromolécula complexa. No infravermelho foram detectadas algumas variações estruturais quando o asfalto foi submetido a um envelhecimento simulado, como aumento de grupamento carbonila e sulfóxido em virtude da oxidação do CAP. A análise térmica mostrou que a altas temperaturas o SBS não influenciou o comportamento do CAP, contudo a baixas temperaturas houve uma melhoria revelada pela diminuição da temperatura de transição vítrea. Os ensaios reológicos mostraram que o SBS atuou como um aditivo não inerte. O comportamento Newtoniano característico de CAP’s a altas temperaturas não foi alterado quando se adicionou SBS ao ligante. As características reológicas observadas a partir dos ensaios dinâmicos mecânicos foram alteradas quando o ligante modificado foi submetido a um processo de envelhecimento, evidenciado pelos valores do módulo de cisalhamento complexo (G*) e do ângulo de fase (δ). O envelhecimento oxidativo aumentou a rigidez do ligante, elevando assim a resistência à deformação permanente. O grau de desempenho foi alterado quando o SBS foi adicionado, melhorando o parâmetro de deformação permanente avaliado pela especificação Superpave.

CONCLUSÕES

Todos os artigos estudados mostraram que o primeiro passo para se efetuar a caracterização de um material é conhece-lo bem, fazer uma revisão bibliográfica sobre o material. O estudo feito no presente trabalho ampliou os conhecimentos quanto as técnicas de caracterização dos materiais apresentados em sala de aula como também foi além, mostrando ainda outras técnicas.

A escolha da estratégia de conhecimento do material seja pela análise química, térmica ou física é dependente do objetivo que se tem em cada trabalho. Cabe ao autor escolher seus tipos de análise de acordo com esses objetivos. Pela leitura dos artigos fica claro que para se tirar conclusões e confirmar resultados é necessário a união de várias técnicas de caracterização.

REFERÊNCIAS

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W.G. Moravia, C.A.S. Oliveira, A.G. Gumieri, W.L. Vasconcelos, 2006. Caracterização microestrutural da argila expandida para aplicação como agregado em concreto estrutural leve. Departamento de Engenharia Metalúrgica, Universidade Federal de Minas Gerais. Disponível em < http://www.scielo.br/pdf/ce/v52n322/30586.pdf > Acesso em 10/11/2014 19:00.

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