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Vale salientar que, as normas do DNER para uso de escória de aciaria e escória de alto-forno em pavimentos rodoviários não especifica o tipo de processo de refino utilizado na fabricação do fundido que será responsável pela geração da escória.
Outros países já especificaram o uso da escória para construção rodoviária. A França, por exemplo, especificou o que chamam de grave-laitier que consiste na mistura deste rejeito com agregados comuns ou com cal hidratada, Ca(OH)2, que também é chamada de hidróxido de cálcio, para ser utilizada em construções de base ou sub-base de pavimentos. Cerca de 65,0% das rodovias francesas utilizam este material.
As escórias de alto-forno são geradas mediante a produção do ferro-gusa. A fabricação do gusa é realizada nas siderúrgicas em unidades industriais chamadas altos-fornos. A principal função do alto-forno consiste na remoção do oxigênio do minério de ferro através da redução dos óxidos contidos nos minerais de ferro, transformando estes em ferro metálico (Fe0) e separando-o das partes não metálicas, a escória. A separação do ferro é obtida a partir da reação do óxido de ferro, a canga do minério, com o monóxido de carbono (CO). O CO resulta da combustão do carvão mineral, o coque, ou do carvão vegetal. A parte metálica, por sua vez, é separada da não metálica pela fusão a aproximadamente 1500ºC, quando é formada a escória, menos densa, que incorpora todas as impurezas indesejáveis, e corresponde ao líquido menos denso e insolúvel, sobrenadante que se separa do gusa, também líquido, e posteriormente se solidifica, cristalizando-se ou não, ao ser resfriada. As escórias se formam não apenas pela fusão das impurezas do minério de ferro, mas também pela incorporação dos fundentes, como o calcário e a dolomita, e das cinzas do coque.
Segundo Fusinato (2004), a proporção, em alto-fornos a coque, é de 0,3 a 0,4 tonelada de escória gerada por tonelada de ferro produzido, dependendo da constituição do minério utilizado. Acredita-se que a geração mundial de escórias de alto-forno gire em torno de 120 milhões de toneladas de escória para 700 milhões de toneladas de aço. A produção brasileira é de cerca de 5,7 milhões de toneladas de escória de alto-forno por ano. A figura 1 apresenta o esquema representativo de um alto-forno e da produção da escória.
A cura da escória de alto-forno é de extrema relevância para a sua posterior utilização. Ela consiste no tratamento ao qual a escória é submetida com o intuito de solidificá-la e promover a liberação dos gases retidos nela. Esse processo influencia consideravelmente na determinação das propriedades da escória, no que diz respeito principalmente à estrutura do material e à sua hidraulicidade. Deste modo, existem certas técnicas de resfriamento, as quais geram escórias com características diferentes.
De acordo com John (1995), a escória sai do alto-forno na forma de um líquido viscoso com temperatura entre 1350ºC a 1500ºC e com aproximadamente 1700 kJ/kg de energia térmica. O resfriamento lento consiste em armazenar a escória em enormes pilhas ao ar livre. Desse modo, ela é resfriada naturalmente a temperaturas inferiores a 800ºC ou 900ºC, quando começa a cristalizar-se, formando uma solução sólida de cristais, como a merwinita e a melilita. A escória é então britada em granulometrias variadas para sua posterior utilização.
Outra técnica é o resfriamento rápido, na presença de água, no qual a temperatura do resíduo diminui em velocidade elevada, não havendo tempo para que os íons se organizem em forma cristalina, formando então uma estrutura vítrea. Estrutura essa, que não tem a periodicidade e simetria que caracterizam os sólidos cristalinos. Este fato ocorre porque a redução da temperatura de um líquido provoca uma diminuição da mobilidade dos seus íons, impedindo desta forma que eles atinjam uma organização cristalina. Esse processo é conhecido como granulação porque também reduz a escória a grãos similares aos da areia natural.
Uma técnica similar à granulação de escória, no que diz respeito à velocidade do resfriamento, é a do resfriamento por jatos de água sob alta pressão, que obtém um produto também de estrutura vítrea, porém expandido. A figura 2 ilustra a granulação da escória de alto forno.
Por último, o resfriamento rápido por ar sobre pressão, que é utilizado quando se pretende obter a "lã de vidro", uma escória com propriedades isolantes, térmicas e acústicas. Tal tipo não é de significativa relevância para este trabalho.
A composição química das Escórias de alto-forno produzidas varia dentro de limites relativamente estreitos. Os elementos que participam são os óxidos de: cálcio (Ca), silício (Si), alumínio (Al) e magnésio (Mg). Tem-se ainda, em quantidades menores, FeO, MnO, TiO2, enxofre, entre outros. É importante relembrar que essa composição vai depender das matérias primas, do tipo de gusa fabricado e do tipo de alto-forno utilizada, a coque ou a carvão vegetal. A composição química é de extrema importância e influencia consideravelmente na determinação das características físico-químicas das escórias de alto-forno. Segue, abaixo, uma tabela da composição química das escórias de alto-forno, mostrando os teores citados na literatura e os comparando com os das escórias brasileiras. E, depois, um quadro comparativo com a composição das escórias de alto-forno a coque e a carvão vegetal.
(Fonte: FUSINATO, 2004.)
Moreira (2006) afirma que as propriedades fundamentais das escórias dependem da hidraulicidade, capacidade de alguns de seus óxidos reagirem em meio saturado, formando sais insolúveis e estáveis, que por sua vez depende de sua composição química e principalmente da sua forma de obtenção, seja no estado sólido vítreo resfriado ou no estado sólido cristalino resfriado. As escórias cristalinas, ou seja, aquelas resfriadas lentamente carecem de propriedades hidráulicas e são em sua maioria, termodinamicamente estáveis, comparativamente às escórias vitrificadas, comportando-se relativamente como agregados inertes, e são classificados na classe três da NBR-1004, como materiais inertes. Do ponto de vista mineralógico, pode-se dizer que as escórias são menos inertes geoquimicamente que os agregados naturais. As escórias de Alto-Forno podem ser vistas geologicamente como sendo rochas metamórficas basálticas e silicíticas.
As escórias de alto-forno possuem atualmente diversas aplicações, entre elas, destacam-se: Bases de estrada; asfalto; aterro / terraplanagem; agregado para concreto; cimento, grande utilização da Escória de alto-forno granulada devido a sua hidraulicidade, e aplicações especiais, como lã mineral, lastro ferroviário, material para cobertura, isolamento, vidro, filtros, condicionamento de solo e produtos de concreto.
Neste trabalho, quanto às aplicações das escórias de alto-forno, nos interessará prioritariamente o seu emprego na pavimentação asfáltica. Para esse fim, destaca-se a utilização da escória de aciaria, porém, há registros do sucesso na utilização das de alto-forno. A utilização da escória em pavimentação, embora não possa ser considerada rotineira, já é freqüente em países em que a produção do aço atingiu níveis elevados, como os Estados Unidos, a Alemanha, o Japão, a França e o Reino Unido. A produção de escória nesses países gira em torno de cem milhões de toneladas anuais. Fusinato (2004) cita o emprego das escórias de alto-forno nesses países.
Na Inglaterra, as normas sobre o uso da escória de alto-forno, tornam possível o uso de escórias com uma resistência mecânica inferior à exigida para os agregados britados de rocha. O mesmo autor dá destaque para um projeto realizado na Hungria, onde a escória de alto-forno granulada foi utilizada como base de pavimento na forma de cascalho rolado, tratado com 20% de escória granulada e 2% de cal hidratada, compondo uma camada de espessura final de 26 centímetros. O trecho pavimentado foi submetido ao tráfego durante os meses de inverno para depois ser superposto por uma camada de binder de 11 centímetros e camada de rolamento de concreto asfáltico de 4,5 centímetros de espessura. Exames posteriores evidenciaram o bom desempenho do pavimento, o que levou as autoridades a elaborar normas para a execução desse tipo de serviço.
Entretanto, a França é o país do qual maior parte dos registros sobre esse emprego das escórias de alto-forno se referem. Além disso, a maior parte da bibliografia encontrada sobre o assunto é proveniente desse país. O fornecimento de escória granulada para algumas regiões da França é controlada pelo laboratório Ponts et Chaussés, que inclusive, importa e distribui escória da Bélgica.
Fusinato (2004) também descreve a utilização da escória de alto-forno para pavimentação no Brasil. A qual é caracterizada por ainda estar em seu início, principalmente no Estado de São Paulo, onde a escória é vendida à indústria de cimento, para que se proceda a fabricação de Cimento de Alto-Forno (CAF). A própria Companhia Siderúrgica Paulista (COSIPA), limita a utilização da escória à pavimentação de ruas internas da fábrica. No caso brasileiro, ainda não é possível a apresentação de exemplos marcantes da utilização da escória de alto-forno em pavimentação, o que não impede de se encarar com algum otimismo esse emprego, tendo em vista a larga produção nacional de aço e a tendência de se utilizar ao máximo os materiais abundantes nas proximidades dos serviços, além das preocupações ambientais. A alternativa pode vir a ser uma solução mais econômica para a pavimentação de vias, principalmente nas proximidades das grandes indústrias siderúrgicas. Seguindo o exemplo da reconstrução da rodovia Duarte na República Dominicana, citada por Wang (2004).
Para o uso na pavimentação, elas são classificadas em granulada e bruta. A escória granulada, que tem alto poder aglomerante devido à sua reatividade pode ser utilizada como base ou sub-base de pavimentos, desde que misturada com brita e cal. Enquanto a escória bruta, que é composta de grãos com as dimensões habituais das britas utilizadas em pavimentação, pode ser empregada na construção de bases e sub-bases de pavimentos, apenas com adição de cal.
Segundo Velten (2005), para o emprego da escória como aglomerante, é necessário que a escória seja solúvel, isto é, passível de ataque pela água, para que os elementos formadores dos compostos hidráulicos sejam liberados. Tal solubilidade é favorecida pelo teor de óxido de cálcio presente na escória. Dessa forma, a reação é lenta, mas, em meio fortemente alcalino e/ou através da ação de sulfatos, torna-se acelerada, sendo a velocidade de reação favorecida pela finura da escória.
Segundo o mesmo autor, constata-se que a adição de uma mistura de escória de alto-forno granulada moída, amostra de solo residual jovem de gnaisse e cal hidratada a camada de pavimento de estradas, aumenta consideravelmente a resistência mecânica do pavimento.
Esse fator comprova a ação positiva da escória como agente estabilizante do solo utilizado. Neste contexto, a cal atua como agente de ativação de reações de hidratação da escória. Velten (2005) constatou também que o tempo de cura da escória tem efeito positivo na resistência mecânica da mistura, devido à ocorrência de reações de cimentação, o que é comprovado nas tabelas 2 e 3, que mostram o comportamento mecânico de três corpos-de-prova em ensaios de compressão não-confinada após a adição da escória de alto-forno e da cal. A tabela 2 mostra os resultados dos testes realizados com um dia de cura e a tabela 3 com 7 dias de cura. Os dados das tabelas comprovam que o aumento do tempo de cura da escória aumenta a resistência mecânica dos corpos-de-prova. A figura 3 reforça os dados das tabelas, sintetizando-os em um gráfico e complementando-os, ao mostrar os valores de tensão à ruptura para amostras que receberam até 28 dias de cura. Confirma-se que o aumento da resistência mecânica persiste para tempos de cura elevados.
A Norma Técnica NBR 12253 destaca que a resistência mecânica dessa mistura para emprego em camadas de base e sub-base de pavimentos deve ser igual ou superior a 2,1 MPa para um período de cura de 7 dias. Portanto, as tabelas 2 e 3 mostram que este índice é alcançado quando a mistura é constituída por 10% de escória e 10% de cal.
Na tabela 4, mostram-se os resultados dos ensaios de compactação, englobando os parâmetros umidade ótima (hot) e peso específico aparente seco máximo (γdmax) das misturas, de acordo com as diferentes proporções de escória de alto-forno granulada moída e cal hidratada. Para fins práticos, observou-se que a adição de escória de alto-forno granulada moída e cal hidratada aos solos não conduziu a variações significativas nos parâmetros ótimos de compactação.
Portanto, segundo Velten (2005), a adição de escória de alto-forno a misturas empregadas em camadas de pavimentos, aumenta a resistência mecânica do pavimento, porém não causou variações significativas nos parâmetros ótimos de compactação.
SegundoFilev (2007)a escória de aciaria é um subproduto da produção do aço, resultado da agregação de diversos elementos que não interessam estar presentes no produto final; é composta por óxidos como CaO e MgO, podendo apresentar elevado coeficiente de expansibilidade.É heterogênea e sua composição, embora bem conhecida, pode variar de acordo com a matéria – prima utilizada na produção do aço.
Segundo Peixoto(2005), cerca de 12% a 16% em massa da produção mundial de aço corresponde à escória. No Brasil, cada tonelada de aço produz entre 70 kg e 170 kg de escória de aciaria. Ela pode ser gerada a partir do processamento do aço em dois tipos principais de fornos. A tabela 05 mostra as diferentes composições para as escórias de aciaria LD e de forno elétrico. Pode – se perceber que há grande variação, porém há muitas semelhanças entre elas, principalmente no que diz respeito aos óxidos.
Escória deForno elétrico
A mais indicada para pavimentação asfáltica, por se assemelhar ao clínquer de cimento Portland®, é a LD.
Durante o processo da retirada de carbono do gusa e acréscimo de elementos de liga para a produção do aço, produzem – se muitos componentes com alto ponto de fusão e bem menos densos, que ficam flutuando no banho de metal líquido. A fim de se obter a escória e torná – la miscível são adicionados à carga metálica do conversor materiais chamados fundentes; os principais são cal (CaO), e fluorita (Ca F2). A adição destes elementos visa atingir um ponto ideal de fusão e fluidez, representado pelo diagrama ternário da escória. Abaixo é mostrada a figura 4, que esquematiza um convertedor LD.
Assim como no alto – forno, o refino do aço se processa através de reações de oxidação dos elementos "indesejados", como Fósforo, Enxofre, Cálcio, etc... Depois dos adequados processos, devido à diferença de densidade, a escória continua suspensa no banho. Daí, ela é separada e basculada no local reservado para seu tratamento. No entanto, ela pode ainda conter partes metálicas, que são separadas ao final, antes da destinação para pavimentação e outros fins.
Além do tipo de forno utilizado para produção de aço, podem afetar as propriedades finais da escória o tipo de matéria-prima utilizada, o resfriamento do rejeito, etc. A temperatura média com que este resíduo sai do LD é de 1500ºC. Seu resfriamento afeta significativamente sua granulometria, porque é neste momento que ocorre a maior parte das reações químicas (LIMA et al., 2000).
"Escórias que são resfriadas ao ar são, geralmente, inertes devido à cristalização de seus óxidos. Escórias resfriadas rapidamente (ar ou vapor) possuem natureza expandida e tornam-se leves. Escórias resfriadas bruscamente (jato d'água) são vítreas, com granulometria semelhante à areia de rio, estrutura porosa e textura áspera. As escórias ácidas costumam ser mais densas, enquanto que as básicas são mais porosas (com estrutura vesicular)" (GEYER, 2001).
A tabela 6, abaixo, trata, resumidamente, as principais características das escórias de aciaria LD. Percebe – se que ela é alcalina apresenta baixa porosidade e dureza considerável. Segundo a Companhia Siderúrgica Tubarão (CST) (2010), o fator que mais afeta nas propriedades finais deste produto é a granulometria: quanto menor, menor a resistência à compressão; quanto maior, maior resistência e maior expansão. Outras propriedades importantes são a capacidade de carga elevada e a alta resistência ao desgaste. Porém, não se pode esquecer de citar o que hoje é o maior impasse para pavimentação asfáltica: expansibilidade elevada, devido à presença de óxidos livres reativos.
Ressalta – se a hidraulicidade. Em contato com a água a escória desenvolve características cimentares (cimentação ou concrecionamento), fenômeno este que melhora as propriedades mecânicas da camada compactada, propicia um comportamento estrutural semelhante ao das estruturas rígidas ou semi-rígidas. Para esse caso, os mesmos óxidos (CaO, SiO2... ) que antes eram prejudiciais e causavam a alta expansibilidade, são os que geram uma camada responsável por essas melhoras significativas.
Há várias maneiras, por meio de ensaios e de observações, de se mensurar a expansibilidade deste resíduo, a figura 5, abaixo, exibe a mais usual:
Leituratempo desejado – Leiturainicial
H amostra
Expansão total =
Relacionando – se os dados obtidos através dos ensaios pode–se montar o seguinte gráfico, descrito na figura 6, que relaciona a taxa de expansão com o tempo de cura. Conforme demonstrado, vê – se que, quanto maior o tempo de cura, maior será o teor de expansão. Tal valor, embora em constante ascensão, tem um ponto limite, determinado de acordo com a aplicação final, em que a expansão se regulariza.