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trabalho de conclusão de curso de química. Revisão bibliográfica sobre asfalto-borracha, proveniente da fusão enter massa asfáltica e borracha de pneus.
Tipologia: Trabalhos
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1. Introdução.............................................................................................................................. 4 2. Borracha natural, borracha sintética e o pneu........................................................................ 5 3. Fabricação de pneus............................................................................................................... 7 2
1. Introdução:
A borracha natural é proveniente do látex retirado de uma árvore nativa da América, a seringueira, Hevea brasiliensis. Descoberta e utilizada há muito tempo por nativos em diversas áreas, como nativos ocidentais que praticavam jogos com bolas de borracha, além de artigos de borracha encontrados em ruínas do povo Maia. A partir deste tempo o homem vem aprimorando a utilização da borracha de forma a atender suas diversas necessidades e elaborar produtos com qualidade cada vez mais superior aos seus antecessores.
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Depois de obtido o látex, este é beneficiado e transformado em matéria prima para diversos produtos, entre eles pneus automotivos. Mas também temos a borracha sintética, que surgiu em virtude da Segunda Guerra Mundial pela ameaça de falta de borracha graças à grande demanda. Estes dois tipos de borrachas estão envolvidos em diversos métodos de produção, a nós nos interessa a produção de pneus que servirão de matéria prima para produção do asfalto-borracha.
Por ano, mais de 30 milhões de pneus são descartados no Brasil. Por si só, este já é um dado alarmante, mas o que deixa o problema muito mais sério é o fato de os pneus demorarem cerca de 400 anos para se decompor. Por isso, é muito importante que a sociedade discuta soluções para o descarte desses pneus que não têm mais utilidade em sua função original. O que os pesquisadores estão descobrindo é que os pneus usados podem voltar para as rodovias para serem usados no pavimento.
A experiência das concessionárias com o asfalto ecológico no Brasil começou em 2001, no Rio Grande do Sul. A utilização de pneus na fabricação de asfalto colabora com a preservação do meio ambiente, mas também proporciona avanços em relação às rodovias. Estudos comprovam que a utilização de pneus produz um asfalto de melhor qualidade e com vida útil maior. Melhoram também as condições de segurança, uma vez que a composição do produto absorve as propriedades elásticas e estabilizadoras da borracha de pneu. Por ter uma textura mais áspera, aumenta o coeficiente de atrito e aderência pneu/pavimento e reduz a aquaplanagem. Outra vantagem é que, por ser mais áspero, diminui o efeito "spray", ou seja, aquela névoa que se forma quando um veículo passa sobre o asfalto molhado.
de borracha, passou então a produzir os primeiros pneus de carro com este novo material, já em
Com o desenvolvimento continuo e cada vez mais acelerado da indústria mundial, surgiram as borrachas sintetizadas em laboratório, que se tornaram matérias-primas importantes para a substituição do látex natural na fabricação de alguns produtos.
Na indústria dos pneumáticos essa substituição ocorreu rapidamente, já no início do século XX, por conta da maior demanda por matéria-prima (gerada pela implantação da linha de montagem), pela pressão decorrente da tomada das plantações asiáticas pelos japoneses na época, necessitando-se de independer das plantações mundiais de borracha natural, para obter suprimentos mais baratos e seguros, o que levou ao desenvolvimento e a utilização de uma borracha que, embora de estrutura diferente da natural, satisfazia extraordinariamente a alta demanda requerida na época.
O produto desenvolvido era facilmente vulcanizável e acabou se transformando no carro-chefe da indústria da borracha mundial, apesar de suas propriedades não corresponderem a todas as qualidades da natural. Mas o custo e as características principais foram determinantes para que se tornasse concorrente imbatível. Apesar da borracha sintética já ser conhecida desde 1875, sua produção até este momento era cara e inexpressiva.
Uma variedade muito ampla de borrachas sintéticas foi desenvolvida desde a descoberta do produto. Como foram grandes os investimentos requeridos para o desenvolvimento das diversas variedades, a tecnologia para a produção foi bastante concentrada em tradicionais empresas de porte global, como DuPont, Bayer, Shell, Basf, Goodyear, Firestone, Michelin, EniChem, Dow, Exxon e Texas Co.
O emprego da borracha é muito amplo, pois as características e propriedades que os elastômeros reúnem fazem com que alcancem praticamente todos os setores da economia: automobilístico, calçadista, construção civil, plásticos, materiais hospitalares e outros também de grande importância no dia-dia da sociedade. Por serem as mais empregadas na produção de pneus, as SBRs (borracha butadieno estireno) e as BRs (borracha butadieno) são as de maior consumo entre as sintéticas.
Em 2007, cerca de 13.6 milhões de toneladas métricas de borracha sintética foram utilizadas em todo o mundo, comparado a cerca de “somente” 9.7 milhões de toneladas métricas de borracha natural. A expectativa dos especialistas é que a participação da borracha sintética continue a crescer com mais rapidez do que a borracha natural, como resultado de suas propriedades. A borracha sintética é utilizada atualmente como base para uma ampla gama de
produtos em borracha de alta performance e ela continuará a ser utilizada para que novas oportunidades e aplicações surjam no futuro.
Atualmente, a maioria dos pneus não é feita com borracha natural, que vem da seringueira. Ele é quase que inteiramente produzido a partir do petróleo. O pneu de um carro de passeio leva em sua produção cerca de 25 litros de petróleo.
3. Fabricação de pneus:
3.1. O composto (borracha):
A primeira fase da fabricação do pneu é a preparação do composto. Ele é formado por vários tipos de borracha natural e sintética, negro de fumo, aceleradores, pigmentos químicos, que são colocados em um misturador (banbury), onde se faz a homogeneização dos elementos (mistura). Para cada parte do pneu há um composto específico, ou seja, com propriedades físicas e químicas diferentes.
3.2. Formando os componentes (partes do pneu):
Depois do composto pronto, partimos para a produção dos componentes. É importante ressaltar que nessa etapa não se segue uma ordem de produção, com um componente feito após outro. Eles podem ser produzidos simultaneamente em vários departamentos da fábrica, pois todos vão ser reunidos para compor o produto final. Esses componentes são: banda de rodagem, parede lateral, talão, lonas de corpo, lonas estabilizadoras e estanque.
A banda de rodagem (parte do pneu que entra em contato com o solo) e a parede lateral são feitas pelo processo de extrusão. Uma máquina chamada extrusora, espécie de rosca, vai girando, aquecendo e empurrando o composto para uma forma, na qual os componentes tomam seus formatos finais.
As lonas de corpo e a lâmina de estanque são formadas na calandra. Nela existem três ou mais rolos cilíndricos que produzem as lâminas de borracha. Essas lâminas se juntam a tecidos de poliéster, nylon (também utilizado como reforço), formando as lonas de corpo. Na formação das lonas estabilizadoras (feita pelo processo de extrusão), vários fios de aço recebem a camada de borracha e formam uma fita com largura determinada. Estas fitas são cortadas em ângulos, concluindo a produção do componente. É importante diferenciar uma lona da outra: as lonas de corpo são aquelas formadas por poliéster e nylon, as lonas estabilizadoras são formadas por fios de aço e o estanque é formado apenas por borracha (composto).
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Figura 1: Esquema do reaproveitamento de pneus descartados.
Além de evitar que os pneus se transformem em fonte de poluição, esta reciclagem é ambientalmente correta ao utilizar ao máximo um recurso natural (derivado de petróleo), que misturado ao asfalto convencional resultada em um produto com características técnicas superiores e ambientalmente correto, o asfalto-borracha.
Reciclagem é a recuperação, re-processamento ou reutilização de materiais descartados como alternativa à sua disposição final em forma de resíduo. Essa utilização como matéria prima de materiais que de outra forma, seriam considerados despejos representa o principal incentivo às tentativas de incorporação dos resíduos de borracha provenientes de pneus.
O asfalto de borracha é uma forma de preparo da mistura asfáltica aproveitando resíduos sólidos (pneus, nesse caso) para aprimorar características como resistência, permeabilidade e aderência.
Os asfaltos, materiais aglutinantes de cor escura, derivados do petróleo, podem ser utilizados em várias aplicações, como por exemplo, em impermeabilizações de construções civis e, principalmente, em obras de pavimentação.
Em pavimentação, os asfaltos podem ser denominados ligantes asfálticos, cimentos asfálticos ou materiais asfálticos, sendo adotado neste trabalho o termo mais genérico ligante asfáltico.
O ligante asfáltico, para ser utilizado em pavimentação precisa sofrer um aquecimento para atingir uma característica viscosa adequada à mistura (>100ºC). Outras alternativas para tornar o asfalto trabalhável além do aquecimento, é a diluição com solventes derivados de petróleo e o emulsionamento.
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ATERROS SANITÁRIOS
GERAÇÃO DERECICLAGEM ENERGIA
REUTILIZAÇÃO DE BORRACHA
PROCESSO SECO AGREGADO BORRACHA
MATERIAIS PARA PAVIMENTAÇÃO
PROCESSO ÚMIDO ASFALTO-BORRACHA
DIVERSOS
Para se reaproveitar os pneus inservíveis em materiais de pavimentação, o pneu deve passar por um processo de trituração e moagem, onde é realizada a separação do aço e do náilon, pois apenas a borracha em pó é misturada com o asfalto. Quando esta estiver na fase de pó ela poderá ser incorporada a dois processos distintos: processo seco ou processo úmido (processos estes que serão abordados mais a frente).
4.1. Asfalto-Borracha:
4.1.1 Surgimento:
As aplicações práticas de asfaltos modificados se iniciaram em 1901, na França. A primeira estrada construída com asfalto modificado por borracha ocorreu em 1902, em Cannes. Os asfaltos modificados antes da Segunda Guerra Mundial eram constituídos pela adição de borracha natural, que era o material disponível na época. O principal objetivo em se combinar asfalto com polímeros é inibir a formação de trincas por fadiga e prolongar a vida útil dos pavimentos, além de aumentar a resistência ao acúmulo de deformação permanente a altas temperaturas e a formação de trincas por origem térmica quando submetidos a baixas temperaturas. O uso de modificadores para melhorar as propriedades de um ligante tem aumentado a cada ano. Os modificadores são adicionados visando melhorar o desempenho dos pavimentos, aumentando a resistência ao acúmulo de deformação permanente e ao aparecimento de trincas por fadiga e de contração térmica, retardando o envelhecimento do material e melhorando a adesividade. Os principais tipos de modificadores utilizados em materiais asfálticos são os polímeros Butadieno-estireno, (SBR, SBS e EVA), e a borracha moída de pneus descartados.
Durante muitos anos, engenheiros e químicos trabalharam misturando borracha natural (látex) e borracha sintética (polímeros) em ligantes asfálticos na tentativa de melhorar as propriedades elásticas do ligante. Na década de 40 iniciou-se a história da adição de borracha de pneus reciclados em materiais para pavimentação asfáltica com a Companhia de Reciclagem de Borracha, U.S. Rubber Reclaiming Company, que introduziu no mercado um produto composto de material asfáltico e borracha desvulcanizada reciclada, denominado Ramflex.
Em 1963, Charles H. McDonald, considerado o pai do sistema asfalto-borracha (asphalt- rubber) nos Estados Unidos, trabalhando para a Sahuaro Petroleum, iniciou uma pesquisa com o intuito de desenvolver, com a incorporação de borracha moída, um material “altamente elástico” para ser aplicado na manutenção da superfície de pavimentos asfálticos. Suas pesquisas resultaram no desenvolvimento de um produto composto de ligante asfáltico e 25% de borracha de pneu moído, misturados a uma temperatura de 190°C durante 20 minutos, para
reformadores e consumidores finais são co-responsáveis pela coleta dos pneus servíveis e inservíveis, os quais devem colaborar com a coleta.
A partir de 2002 para cada quatro pneus produzidos ou importados (novos ou reformados) um pneu inservível deveria ser reciclado. A partir de 2003 a relação deveria ser de dois pneus produzidos ou importados (novos ou reformados) para um pneu inservível reciclado. Em 2004 a proporção foi de um pneu produzido ou importado novo para um pneu inservível reciclado. Em 2005 a relação cresceu para cada quatro pneus produzidos ou importados novos, cinco pneus usados deveriam ser reciclados, e para cada três pneus importados reformados de qualquer tipo deveriam ser reciclados quatro pneumáticos usados.
Com a obrigação de dar a destinação adequada aos pneus, principalmente os inservíveis, as pesquisas sobre como o fazer são intensificadas, entrando a produção do asfalto-borracha que retira do meio ambiente cerca de 500 a 1000 pneus para cada quilômetro de pavimentação, livrando o meio ambiente de um produto que leva cerca de 400 anos para se decompor e serve como criador de espécies precursoras de doenças, como o Aedes Aegypti, que ano após ano causa a morte de várias pessoas por Dengue.
4.1.2. Processos de obtenção:
4.1.2.1. Processo Úmido:
Consiste na mistura de cimento asfáltico e borracha moída (5 a 25% do peso total da ligante – asfalto mais borracha), a um temperatura elevada (150 a 200°C), durante um determinado período de tempo (20 a 120 minutos). Essa mistura é classificada como uma reação e forma um composto chamado asfalto-borracha (asphalt-rubber), com propriedades reológicas diferentes do ligante original, podendo ainda ser incorporados aditivos para ajustar a viscosidade da mistura (diluentes).
O grau de modificação do ligante depende de vários fatores, incluindo o tamanho e a textura da borracha, a proporção de cimento asfáltico e borracha, o tempo e a temperatura de reação, a compatibilidade do ligante com a borracha (polaridades), a energia mecânica durante a mistura e reação e o uso de aditivos.
4.1.2.2. Materiais:
Os materiais utilizados nas misturas são borracha de pneus descartados moída e cimento asfáltico de petróleo.
4.1.2.3. Borracha de pneus:
A borracha utilizada no ligante asfalto-borracha pode ser proveniente de pneus de automóveis ou caminhões. “Geralmente, pneus de automóveis são compostos por cerca de 16 a 20% de borracha natural e de 26 a 31% de borracha sintética, enquanto pneus de caminhões são compostos por cerca de 31 a 33% de borracha natural e de 16 a 31% de borracha sintética. Por exemplo, um pneu de veículo de automóvel típico, com peso aproximado de 10,5 Kg, apresenta, em relação ao peso total do pneu, 27% de borracha sintética, 20% de borracha natural, 25% de negro-de-fumo, 14% de produtos químicos (óleos e pigmentos), 10% de aço e 4% de poliéster e náilon” (Goodyear, 2000). Para se obter a borracha a ser utilizada no ligante asfáltico há um processo de mistura da borracha de pneus de automóveis e caminhões que tem como característica básica recuperar borrachas vulcanizadas a baixas temperaturas (máximo de 80°C). O processamento, dessa forma, ocorre na fase líquida, através de um catalisador heterogêneo, sendo a separação da borracha e do aço feita por filtragem e magnetismo. O produto gerado (borracha em pó) apresenta alta homogeneidade e mantém muita das propriedades físicas da composição original. A borracha utilizada é composta por moléculas polares, que contribuem para as propriedades viscosas. A granulometria pode variar com o processo de produção, principalmente em função dos equipamentos e da temperatura de moagem. A borracha a ser utilizada na produção de asfalto- borracha é composta de partículas que são medidas através de peneiras, determinando o tamanho dos diâmetros a serem usados no processo, que podem ser de 0,178 mm, 0,297 mm e 0,42 mm. O teor ótimo de borracha em camadas de revestimentos densas (granulometria fechada) é de cerca de 5% de borracha de diâmetro 0,178 mm, enquanto que em camadas de revestimento com granulometria aberta o valor mais utilizado é de 12% de borracha de diâmetro 0,42 mm. Em aplicações de ligante asfalto-borracha entre as camadas de revestimento existente e a camada de reforço, pode-se adotar teores mais elevados, de até 20% de borracha de diâmetro 0,84 mm, a uma taxa de cerca de 2,7 L/m 2.
4.1.2.4. Ligante asfáltico:
No Brasil, os asfaltos são classificados pelo ensaio de penetração ou pelo ensaio de viscosidade, onde os números indicam respectivamente, a penetração e o valor mínimo para a viscosidade a 60°C.
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Misturas modificadas com agregado-borracha com granulometria fina (1,18 – 0,15mm) possuem um melhor desempenho quanto à deformação permanente e flexibilidade, quando comparadas a misturas convencionais. Já misturas com agregado-borracha de granulometria mais grossa (9,5 – 0,60mm) mostram um excesso de deformação permanente e maior resiliência. Estes resultados ratificam a teoria que as partículas finas de agregado-borracha reagem parcialmente com o ligante, enquanto as partículas maiores funcionam como agregados elásticos.
A habilidade da borracha em melhorar as propriedades do ligante asfalto depende da compatibilidade deste com a borracha. O tipo e a quantidade de óleos aromáticos presentes no ligante asfalto desempenha um papel significativo na determinação desta compatibilidade. Para melhorar a compatibilização entre o asfalto e a borracha pode ser utilizado um óleo extensor, que ainda serve para diminuir a viscosidade do ligante asfalto borracha. Um cuidado especial deve ser tomado com a temperatura da mistura asfáltica e a borracha, pois temperaturas elevadas podem provocar o envelhecimento precoce do asfalto, mudando suas características.
O asfalto é um material de consistência semi-sólida à temperatura ambiente e é necessário torná-lo fluido para facilitar a mistura e incorporação da borracha moída. Para tanto, deve-se aquecer o asfalto até se atingir a viscosidade adequada.
Além disso, a borracha, que também é aquecida previamente, deve ser misturada ao ligante durante um período de tempo suficiente para que resulte um produto uniforme, com consistência homogênea.
A melhor interação entre os ligantes modificados e os grânulos de borracha leva os concretos asfálticos de boa qualidade e com um grande consumo de borracha, o que torna o processo misto bastante atrativo do ponto de vista ambiental.
4.2. Vantagens do Asfalto-borracha em obras de pavimentação:
A reciclagem de borracha por meio de pavimentação asfáltica é uma tecnologia muito promissora. Os processos que utilizam borracha no pavimento asfáltico consomem uma média de um milhão de pneus por ano e tanto o processo úmido como o processo seco são considerados potencialmente em expansão.
O reaproveitamento da borracha de pneus, com o objetivo de incorporá-la ao pavimento asfáltico possui dentro da infra-estrutura viária uma posição de destaque. Dentre as vantagens da reciclagem da borracha de pneus, pode-se destacar:
a) Aumenta a massa final do concreto asfáltico;
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b) Por ter a mesma origem do asfalto (petróleo), a borracha de pneu não apresentará problemas de compatibilidade química com o pavimento betuminoso, nem causará problemas de corrosão nos equipamentos construtivos rodoviários, como se verificou com outros resíduos;
c) Seu manuseio não oferece riscos aos operadores;
d) É um material homogêneo, que permite a determinação das suas características de comportamento com mínima variação;
e) Esta reutilização vai ao encontro da solução do problema ambiental dos pneus descartados;
f) Seu custo resume-se ao transporte dos pneus dos locais onde foram gerados ao ponto de utilização;
g) Pneu possui dimensões geométricas padronizadas, o que facilita o desenvolvimento de equipamentos de desmonte e trituração, caso sejam necessários.
As principais melhorias que ocorrem no pavimento asfáltico que recebe a incorporação de borracha de pneu são:
a) Diminuição da poluição e melhoria da qualidade ambiental;
b) Possibilidade de utilizar camadas mais delgadas;
c) Maior elasticidade da mistura, maior coesão, menor sensibilidade a temperaturas extremas e maior resistência ao trincamento;
d) Melhor conservação dos agregados e do cimento asfáltico, podendo dobrar o tempo de vida útil do produto;
e) Menor aparecimento de trilhas de roda;
f) Diminuição dos custos pelo aumento da vida útil do pavimento;
g) Maior resistência ao fraturamento por congelamento (climas frios);
h) Redução do nível de ruído do tráfego;
i) Maior resistência à deformação permanente em altas temperaturas;
j) Mistura final altamente resistente ao envelhecimento devido à incorporação de antioxidantes e inibidores de raios ultravioleta existentes na borracha de pneu.
O pneu também é composto de borracha sintética, que possui excelentes propriedades físicas e ótima estabilidade química para ser incorporado ao pavimento asfáltico. Quando isso acontece é produzido um efeito de emborrachamento do pavimento, com melhor impermeabilização do
técnico do novo ligante asfáltico criado com a borracha reciclada são muito interessantes e compõe um cenário muito benéfico para a sociedade.
Porém existem algumas barreiras ligadas à utilização de borracha asfáltica que são: necessidade de equipamentos especiais; peculiaridade na granulometria dos agregados pétreos, falta de padronização de critérios de dosagem, custo da borracha picada e uso de processos patenteados. Tanto no processo seco como no processo úmido, essas dificuldades combinadas resultam no principal problema quanto ao uso da borracha de pneu.
4.3. Viabilidade econômica da usina de asfalto-borracha:
A viabilidade econômica da usina de produção de asfalto-borracha mostra a robustez do empreendimento da usina de cominuição de pneus, pois se a produção de asfalto-borracha é viável, a venda da borracha estará garantida.
A produção e o transporte da quantidade prevista de asfalto-borracha necessitarão de dois equipamentos que terão investimento total de US$ 3 milhões.
A receita será a produção de asfalto-borracha (168 977 ton/ano) com crescimento de 4% ao ano, multiplicado pelo preço fornecido pelo Departamento Nacional de Infraestrutura e Transportes (DNIT) em dólar com R$ 3,00/dólar (R$191,91). Portanto para o primeiro ano, a receita seria de US$ 10.809.000,00.
O valor presente líquido (VPL), calculado com o fluxo de caixa, resulta em US$ 170.000 e em taxa interna de retorno (TIR) de 17%. Isto indica que, para as premissas adotadas, ou seja, para os preços estipulados pelo DNIT, o custo de produção do asfalto-borracha seria 10% maior que o custo do convencional e teria um investimento de US$ 3 milhões, então, a produção de asfalto-borracha é economicamente viável (Valores extraídos do Boletim Técnico da Petrobrás, Rio de Janeiro, v.49, n 1/3, dezembro de 2006).
4.4. Viabilidade econômica do pavimento de asfalto-borracha:
A análise de custo do ciclo de vida (life-cycle cost analysis – LCCA) do pavimento só considerou os custos de construção inicial e de manutenção do pavimento.
O valor do investimento será a diferença de custo entre o asfalto convencional e o asfalto- borracha, considerando o primeiro ano para as quantidades de misturas e uma pista com 10 m de largura e 138 km de comprimento. A receita considerada será a redução do custo de manutenção dos pavimentos, conforme exibido na tabela 1.
Esta avaliação simplificada do LCCA do pavimento indica que a redução de gastos com a manutenção do pavimento permite um aumento do gasto anual com o asfalto-borracha de US$
183.333,00 em relação ao asfalto convencional. Usando-se este valor e os preços dos componentes da mistura de asfalto-borracha, obtém-se que a espessura da camada de asfalto- borracha, para o valor máximo de investimento inicial, é de 5,9 cm. Para espessuras menores, as vantagens econômicas crescem.
Um pavimento de asfalto-borracha com espessura de 5,9 cm com 9% p/p de ligante, contendo 18% p/p de borracha, equivale, economicamente, a um pavimento convencional de 7,5 cm espessura, com 5% p/p de ligante. Considerando-se a espessura do asfalto tradicional de 7, cm, a espessura do asfalto-borracha seria de 5,4 cm para o mesmo desempenho.
Uma espessura de 5,4 cm de asfalto-borracha corresponde a uma de 7,5 cm de asfalto tradicional. Isso indica que o asfalto-borracha é economicamente viável quando consideradas correspondências de espessuras.
Ano 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Asfalto Tradicional- US$/Km
Asfalto- Borracha- US$/Km
Tabela 1: Custos de manutenção (US$/km) e ano de vida do pavimento.
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