AplicaçÃo de escória ld como pavimento rodoviário e lastro ferroviário(1)



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Anais do 45º Congresso Brasileiro de Cerâmica 220120

30 de maio a 2 de junho de 2001 - Florianópolis – SC.



APLICAÇÃO DE ESCÓRIA DE ACIARIA LD COMO PAVIMENTO RODOVIÁRIO E LASTRO FERROVIÁRIO(1).


Ricardo Magnani Andrade(1), Sidiney Nascimento Silva(2), Heitor João Bosco Nogueira(2), Sérgio Murilo Justus(1), Elson Longo(1), Flávia da Nóbrega Cunha(1), Gustavo Schemim da Matta(1), Fernando Balduino(4)

(1) Centro Multidisciplinar de Desenvolvimento de Materiais Cerâmicos – Rod. Washington Luiz, km 235, Caixa Postal 676, CEP 13565-905, São Carlos, SP, email: pmagnani@iris.ufscar.br

(2)Companhia Siderúrgica Nacional

(4)Sobremetal Recuperadora de Metais Ltda.


RESUMO


Visando a agregar valor e incrementar a comercialização da escória de Aciaria LD, pela CSN, foram desenvolvidas novas aplicações para esse co-produto como sucedâneo da brita em obras de pavimentação rodoviária e lastro ferroviário.

O presente trabalho descreve os métodos e técnicas laboratoriais desenvolvidos para certificação da qualidade desse produto e atender às especificações normalizadas pelo Departamento Nacional de Estradas de Rodagem – DNER (pavimento rodoviário) e Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT (lastro ferroviário).


Palavras chave: Escória de Aciaria LD, Pavimento Rodoviário, Lastro Ferroviário.

1. INTRODUÇÃO


A escória de Aciaria LD é um co-produto líquido decorrente do processo de fabricação e refino do aço em conversores LD, solidificando-se após resfriamento a temperatura ambiente, consistindo essencialmente de silicatos de cálcio, óxido de ferro e ferrita cálcica.

Essa escória apresenta uma elevada resistência ao desgaste, aliada a uma textura rugosa e morfologia cúbica. É caracterizada por uma elevada densidade, baixa absorção de água e coloração predominante cinza claro.

A Tabela 1 apresenta as principais propriedades físico-químicas da escória de Aciaria LD.

Tabela 1 – Principais propriedades físico-químicas da escória de Aciaria LD.



Composição Química (%)

CaO

MgO

SiO2

Al2O3

MnO

P2O5

FeO

Fe0

35,30

6,05

14,60

4,16

3,56

0,69

8,14

1,14

Propriedades Físicas

Massa específica real (g/cm3)

3,00 – 3,50

Massa específica aparente (g/cm3)

1,50 – 1,70

Absorção de água (%)

1,00 – 2,00

Partículas cúbicas (%)

85 - 98

Teor de partículas macias e friáveis (%)

Isento

Impurezas orgânicas (%)

Isento

Desgaste por abrasão Los Angeles (%)

15,00 – 25,00

Para cada tonelada de aço produzida nos conversores LD, são gerados cerca de 140 a 150kg de escória. Considerando a produção anual de aço líquido da CSN de 5,0 milhões t/ano , são gerados cerca de 750.000 t/ano de escória de Aciaria.

Tendo em vista esse elevado volume de escória gerado anualmente, surge a necessidade de se desenvolver novas aplicações, preferencialmente com alto potencial de vendas, visando a incrementar a sua comercialização e a agregar valor a esse co-produto. A Figura 1 ilustra os dados de geração e comercialização de escória de Aciaria LD da CSN no período de 1992 – 1999.



Figura 1 – Evolução da geração e comercialização de escória de Aciaria LD da CSN no período de 1992 – 1999.
A aplicação da escória de Aciaria LD como pavimento rodoviário responde por 92% do volume de vendas da CSN (Figura 2).



Figura 2 – Comercialização da escória de Aciaria LD da CSN por setor de aplicação (REF. 1996).
A Figura 3 ilustra o fluxograma do processo de produção da escória de Aciaria LD na CSN.



Figura 3 – Fluxograma do processo de produção de escória de Aciaria LD na CSN.
Uma das grandes barreiras à comercialização desse produto é o alto custo do transporte rodoviário, resultando num raio econômico, em termos de competitividade com a brita, de aproximadamente 500km.

De acordo com esse cenário, foram desenvolvidas novas aplicações para a escória de Aciaria LD da CSN como sucedâneo da brita em obras de pavimentação rodoviária e lastro ferroviário. Para tanto, o presente trabalho teve como principal objetivo desenvolver e implantar métodos e técnicas laboratoriais para certificação da qualidade da escória de Aciaria, visando a atender às especificações normalizadas pelo Departamento Nacional de Estradas e Rodagem – DNER (pavimento rodoviário) e pela Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT (lastro ferroviário)


2. Especificações

2.1 – Pavimento Rodoviário


De acordo com a especificação DNER-EM-262/94[1] – Escórias de Aciaria para Pavimentos Rodoviários, a escória deve obedecer às condições exigidas na referida norma:

- Condições específicas:



  1. Absorção de água: 1 – 2% - ABNT-NBR-9937/87[2];

  2. Massa específica aparente: 3 – 3,5g/cm3 – ABNT-NBR-9937/87[2];

  3. Massa unitária: 1,5 – 1,7g/cm3 – ABNT-NBR-7251/82[3];

  4. Desgaste por abrasão Los Angeles: máximo 25% - ABNT-NBR-6465/84[4];

  5. Durabilidade ao sulfato de sódio: 0 – 5% - ASTM-C-88/83[5].

- Condições gerais:

  1. Avaliação do potencial de expansão : máximo 3% - Método PTM-130 (Pensylvania Testing Material)[6];

  2. Teor de impurezas: isento de impurezas orgânicas, de contaminação com escória de Alto Forno, solos e outros materiais;

  3. Granulometria de acordo com a Tabela 2:

Tabela 2 – Granulometria da escória de Aciaria para uso como pavimento rodoviário.



Peneira (in)

% Passante

% Retida

2” (50,8mm)

100

0

½” (12,7mm)

40

60

< ½” (<12,7mm)

40

100

* Amostragem e Formação de Amostras: ABNT-MB-6/87[7] e ABNT-NBR-1099/87[8]: o lote de amostragem não deve ultrapassar 2000t.


2.2 – Lastro Ferroviário

De acordo com a especificação ABNT-EB-655/91[9] – Via Férrea – Lastro Padrão, a escória deve obedecer às condições exigidas na referida norma:

- Condições Específicas:


  1. Massa específica aparente: mínimo 2,4g/cm3 – ABNT-NBR-9937/87[2];

  2. Absorção de água: máximo1% - ABNT-NBR-9937/87[2];

  3. Porosidade aparente: máximo1% - ABNT-NBR-7418/87[10];

  4. Desgaste por abrasão Los Angeles: máximo 40% - ABNT-NBR-6465/84[4];

  5. Resistência ao choque –índice de tenacidade Treton: máximo 20% - ABNT-NBR-8938/85[11];

  6. Formato de partícula: cúbica – ABNT-MB-894/89[12];

  7. Granulometria (padrão “B”). conforme mostrado na Tabela 3:

Tabela 3 – Granulometria da escória de Aciaria para uso como lastro ferroviário.



Peneira (in)

% massa acumulada

% em massa passante

3” (76,2mm)

0 – 0

100

2 ½” (63,5mm)

0 – 10

90 – 100

1 ½” (38,0mm)

40 – 75

25 – 60

¾” (19,0mm)

90 – 100

0 – 10

½” (12,7mm)

95 – 100

0 – 5




  1. Resistência à compressão simples axial: mínimo 800kgf/cm2 – ABNT-MB-892[13];

  2. Tolerâncias;

  • Partículas lamelares: máximo 10% - ABNT-MB-894[12];

  • Material pulverulento (abaixo da peneira #200): máximo 1% - ABNT-NBR-7219/87[14];

  • Torrões de argila: máximo 0,5% - ABNT-NBR-7218/87[15];

  • Fragmentos macios e friáveis: máximo 5% - ABNT-NBR-8697/84[16].

* Amostragem e Formação de Amostras: ABNT-NB-475[17]: 5m3 de amostras para cada 150m3 de lastro.



  1. Certificação de Qualidade



3.1 – Pavimento Rodoviário

3.1.1 – Amostragem e Formação de Amostras

De acordo com as normas ABNT-MB-6/87[7] e ABNT-NBR-1099/87[8], o lote de amostragem não deve ultrapassar 2000t. Considerando que:



  • massa específica aparente da escória de Aciaria LD: 3,25t/m3;

  • altura máxima da pilha: 4,0m (FEEMA / RJ – Fundação Estadual de Engenharia do Meio Ambiente); e

  • formato da pilha de estocagem: cônica,

o diâmetro máximo das pilhas de estocagem de escória no pátio de beneficiamento deve ser de 24m. A limitação da altura das pilhas se deve à possibilidade da geração de sólidos em suspensão na atmosfera, sob a ação dos ventos. Essa limitação é benéfica também do ponto de vista do envelhecimento da escória. Quanto maior a altura das pilhas, maior a dificuldade para percolação da água, que é responsável pelo envelhecimento da escória de Aciaria (hidratação do CaO e MgO livres). A Figura 4 ilustra o formato da pilha padrão de escória.



Figura 4 – Pilha padrão de escória de Aciaria LD.


3.1.2 – Desgaste por abrasão Los Angeles - Norma ABNT-NBR-6465/8[4]

A Figura 5 ilustra o equipamento para a determinação do desgaste por abrasão “Los Angeles” de agregados.





Figura 5 – Equipamento para determinação do desgaste por abrasão “Los Angeles” de agregados.
As principais condições de ensaio são:

  • rotações: 500;

  • velocidade: 30 – 33 rpm;

  • abrasivo: 12 esferas de ferro fundido;

  • amostra: 5kg.

O desgaste é convencionalmente expresso pela porcentagem em peso do material após o ensaio, que passa pela peneira de malhas quadradas de 1,7mm.
3.1.3 – Durabilidade ao Sulfeto de Sódio - Norma ASTM-C88/83[5]

A Figura 6 ilustra o ensaio para a determinação da durabilidade ao sulfato de sódio.





Figura 6 – Ensaio para determinação da durabilidade as sulfato de sódio.

As principais condições de ensaio são:



  • solução: Na2SO4;

  • tempo: 16 horas;

  • temperatura: 21  1ºC.

A durabilidade ao sulfato de sódio é expressa pela percentagem em perda de massa do material após ensaio.


3.1.4 – Avaliação do Potencial de Expansão - Norma PTM-130[6]

As figura 7 e 8 ilustram, respectivamente, o aparato necessário para a moldagem dos corpos de prova e o ensaio para avaliação do potencial de expansão.




Figura 7 – Aparato para moldagem dos corpos de prova.


Figura 8 – Ensaio para a avaliação do potencial de expansão.

A moldagem dos corpos de prova é precedida da determinação da umidade ótima, correspondente à massa específica aparente máxima, seca, conforme mostrado na Figura 9.



Figura 9 – Determinação da umidade ótima em função da massa específica

aparente máxima, seca[18].

Compacta-se o material, utilizando-se o disco espaçador como fundo falso, em cinco camadas iguais, de forma a se ter uma altura total de material de cerca de 12,5cm, após a compactação. Cada camada receberá 12 golpes do soquete (materiais de sub-leito), 26 ou 56 golpes (materiais de sub-base e base), caindo de 45,7cm, distribuídas uniformemente sobre a superfície da camada.

Terminadas as moldagens necessárias para caracterizar a curva de compactação, o disco espaçador de cada corpo de prova será retirado, os moldes invertidos e fixados nos respectivos pratos-base perfurados.

Em cada corpo de prova, no espaço deixado pelo disco espaçador, será colocada a haste de expansão com os pesos anelares que equivalem ao peso do pavimento. Essa sobrecarga não poderá ser maior que 4,536kg.

Adapta-se, ainda, na haste de expansão, um extensômetro fixo ao tripé porta-extensômetro, colocado na borda superior do cilindro, destinado a medir as expansões ocorridas, que deverão ser anotadas de 24 em 24 horas, em porcentagem da altura inicial do corpo de prova.

Os corpos de prova deverão ser imersos em água durante 7 dias. O potencial de expansão é expresso pela porcentagem da variação volumétrica do material.

O grande inconveniente desse método de ensaio é sua elevada duração (7 dias). Visando a contornar esse problema, existe um projeto de norma ISO, que prevê a realização desse ensaio em autoclave (sob pressão), com duração de apenas algumas horas.

Após beneficiamento, a escória de Aciaria LD é disposta em pilhas para “envelhecimento” (estabilização da expansão volumétrica). A escória de Aciaria LD possui CaO e MgO livres em sua composição, que durante o processo de envelhecimento, envolvem reações de hidratação e carbonatação que resultam em expansão volumétrica da ordem de 14%:

CaO + H2O  Ca(OH)2 (A)

MgO + H2O  Mg(OH)2 (B)

CaO + CO2 + ½ H2  CaHCo3 (C)
O envelhecimento da escória não é apenas uma questão de tempo.

De acordo com estudos realizados pela CSN/UFSCar, a cinética da reação de hidratação do MgO é muito mais lenta, exigindo um longo tempo de envelhecimento para assegurar a completa estabilização da escória. Esse fato merece uma atenção especial na medida que a escória proveniente do processo de “Slag Splashing” do conversor LD apresenta um elevado teor de MgO livre.

Uma tecnologia desenvolvida recentemente[19], conforme ilustrado na Figura 10, propõe a injeção de areia (SiO2) no pote de escória, soprada com oxigênio, com objetivo de minimizar a presença do CaO livre, por intermédio das seguintes reações:

½ O2 + 2FeO  Fe2O3 + energia (reação exotérmica) (D)

2CaOlivre + SiO2  2CaO.SiO2 (E)

2CaOlivre + Fe2O3  2CaO.Fe2O3 (F)



Oxigênio


(O2)

Areia


(SiO2)


Figura 10 – Solução tecnológica para minimização do CaO livre na escória de Aciaria LD.

3.2 – Lastro Ferroviário
3.2.1 – Amostragem e Formação de Amostras

De acordo com a norma ABNT-EB-655/91[9], para cada lote de 150m3 de material, devem ser amostrados 5m3 de amostra.


3.2.2 – Resistividade Elétrica

A especificação ABNT-EB-655/91[9] , não aborda a questão da resistividade elétrica do material. Todavia, a American Railway Engineering Association (AREA), estabelece um método de ensaio para determinação da resistividade elétrica, tendo em vista possíveis interferências com o sistema de sinalização das ferrovias. Para tanto, é estabelecida como valor mínimo de resistividade elétrica 300m[20].

Visando a determinar a resistividade elétrica da escória de Aciaria LD e compará-la com a brita, material convencionalmente utilizado, foi desenvolvido pelo Centro de Pesquisas da CSN/UFSCar, um simulador em escala industrial conforme ilustrado na Figura 11. Nesse simulador é possível avaliar a influência dos seguintes fatores sob a resistividade elétrica:


  • tipo de material: brita / escória de Aciaria LD;

  • tipo de dormente: madeira / metálico;

  • clima: seco / úmido.



Figura 11 – Simulador para determinação da resistividade elétrica de escória de Aciaria LD.

A resistividade elétrica é determinada utilizando-se um “megôhmetro” (YEW YOKOGAWA, modelo 2404), que gera uma tensão de aproximadamente 500V. A resistividade elétrica é medida de duas formas, conforme ilustrado na Figura 12:



  • Medida entre trilhos; e

  • Medida entre eletrodos de cobre introduzidos no lastro ferroviário, adjacentes aos trilhos e espaçados entre si 133 cm.



Figura 12 - Determinação da resistividade elétrica.

  1. Caracterizações



4.1 – Pavimento Rodoviário

A Tabela 4 apresenta os resultados das caracterizações das amostras de escória de Aciaria LD da CSN para uso como pavimento rodoviário, realizadas pelo laboratório Falcão Bauer – SP, comparadas à especificação DNER-ER-262/94[1].


Tabela 4 – Resultados dos ensaios laboratoriais realizados em amostras de escória de Aciaria LD da CSN para uso como pavimento rodoviário.

Ensaios

Especificação

DNER-ER-262/94

Escória de

Aciaria LD da CSN

Absorção de água (%)

1,00 – 2,00

2,30

Massa específica aparente (g/cm3)

3,00 – 3,50

3,38

Massa unitária (g/cm3)

1,50 – 1,75

2,00

Desgaste por abrasão Los Angeles (%)

Máximo 25

20,50

Durabilidade ao Sulfato de Sódio (%)

0,00 – 5,00

1,90

De acordo com esses resultados, apenas o valor de absorção de água (2,30%) é ligeiramente superior ao limite máximo especificado pela norma (2,00%). Com relação ao valor da massa unitária de 2,00 g/cm3, superior ao valor especificado pela norma, não resulta em nenhum inconveniente do ponto de vista técnico.




4.2 – Lastro Ferroviário

A Tabela 5 apresenta os resultados das caracterizações das amostras de escória de Aciaria LD da CSN para uso como lastro ferroviário, realizadas pelo laboratório Falcão Bauer – SP, de acordo com a especificação ABNT-EB-655/91[9].


Tabela 5 – Resultados dos ensaios laboratoriais realizados em amostras de escória de Aciaria LD da CSN para uso como lastro ferroviário.

Ensaios

Especificação

ABNT-EB-655/91

Escória de

Aciaria LD da CSN

Absorção de água (%)

Máximo 1,00

3,60

Porosidade aparente (%)

Máximo 1,00

6,20

Massa específica aparente (g/cm3)

Mínimo 2,40

2,93

Formato de partículas

Cúbica

Cúbica

Partículas lamelares (%)

Máximo 10,00

12,00

Fragmentos macios e friáveis

Máximo 5,00

Isento

Desgaste por abrasão Los Angeles (%)

Máximo 40,00

11,80

Os valores de absorção de água (3,60%) e de porosidade aparente (6,20%) estão acima do limite máximo especificado pela norma. O teor de partículas lamelares (12%) também se apresenta ligeiramente superior ao valor especificado (10%). Esses desvios exigiram ajustes no processo de beneficiamento da escória visando a atender à especificação em sua integra.

A Tabela 6 apresenta os resultados das simulações para determinação da resistividade elétrica.

Conforme pode ser observado, a resistividade elétrica da escória de Aciaria LD atende à especificação da norma americana[20], independente das condições de tempo e do tipo de dormente.



5. Conclusões


O Centro de Pesquisas da CSN encontra-se capacitado para certificação da qualidade da escória de Aciaria LD para uso como pavimento rodoviário e lastro ferroviário.

Para o atendimento completo às especificações, foram necessários ajustes no processo de beneficiamento. Atualmente, a CSN é capaz de fornecer escória para uso como pavimento rodoviário e lastro ferroviário de acordo com as exigências das referidas especificações.

Esse trabalho permitiu a CSN alavancar a comercialização desse co-produto.
Tabela 6 – Resultados das simulações para determinação da resistividade elétrica da escória de Aciaria LD da CSN para uso como lastro ferroviário.




Material

Resistividade elétrica mínima

300m

Dormente

Madeira

Dormente

Metálico

Clima

Clima

Seco

Úmido

Seco

Úmido

Brita


Entre trilhos

>1000


>1000

500

>1000

Entre eletrodos

500

500

520

500

Escória de Aciaria LD

da CSN


Entre trilhos

>1000

350

500

>1000

Entre eletrodos

420

350

520

480



6. Referências Bibliográficas

[1] Especificação DNER-EM-262/94 – Escórias de Aciarias para pavimentos rodoviários.

[2] Norma ABNT-NBR-9937/87 – Agregados – Determinação da absorção e da massa específica de agregado graúdo.

[3] Norma ABNT-NBR-7251/82 – Agregado em estado solto – Determinação da massa unitária.

[4] Norma ABNT-NBR-6465/84 – Agregados – Determinação da abrasão “Los Angeles”.

[5] Norma ASTM-C-88/83 – Soundness of aggregates by use of sodium sulfate or magnesium sulfate.

[6] Norma PTM-130.

[7] Norma ABNT-MB-6/87.

[8] Norma ABNT-NBR-1099/87 – Amostragem de agregados.

[9] Norma ABNT-EB-655/91 – Via férrea – Lastro padrão.

[10] Norma ABNT-NBR-7418/87 – Amostragem de agregados.

[11] Norma ABNT-NBR-8938/85 – Determinação da resistência ao choque.

[12] Norma ABNT-MB-894/89 – Lastro padrão – Determinação da forma do material.

[13] Norma ABNT-MB-892/89 – Lastro padrão – Determinação da resistência à compressão axial.

[14] Norma ABNT-NBR-7219/87 – Agregados – Determinação do teor de materiais pulverulentos.

[15] Norma ABNT-NBR-7218/87 – Agregados – Determinação do teor de argila em torrões e materiais frágeis.

[16] Norma ABNT-NBR-8697/84 – Lastro – Determinação do teor de fragmento macio e friável.

[17] Norma ABNT-NB-475.

[18] Norma DNER-ME-049/94 – Solos – Determinação do índice de suporte California utilizando amostras não trabalhadas.

[19] Estabilização volumétrica de escória de Aciaria – Catálogo Kuttner – Brasil.

[20] Resistivity test for Railway Ballast. American Railway Engineering Association – AREA.
USE OF BOF SLAG AS ROAD PAVEMENT AND

RAILWAY BALLAST
Abstract

In order to add value and improve the sales, it was developed by CSN/UFSCar new applications for BOF slag as road pavement and railway ballast, replacing the crushed rock, the material conventionally used in such applications.



This paper describes the laboratorial methods and techniques which were developed to certify the BOF slag quality and assure the brazilian technical specifications by Departamento Nacional de Estradas e Rodagem – DNER (road pavement) and Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT (railway ballast).

Key words: BOF slag; road pavement and railway ballast.



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