Investigating the Interfacial Adhesion of Steel Slag and Long-Term Aged Asphalt Binder and Its Impact on Asphalt Mixture Performance

Resumo Técnico: Investigação da Adesão Interfacial de Escória de Aço e Ligante Asfáltico Envelhecido a Longo Prazo

Definição do Problema
A rápida expansão da infraestrutura rodoviária da Índia criou uma demanda crítica por agregados minerais, levando à escassez de recursos naturais devido às restrições de mineração. Concomitantemente, a indústria siderúrgica gera aproximadamente 12 milhões de toneladas de escória de aco de Conversor de Oxigênio Básico (BOF) anualmente, grande parte da qual é descartada, causando poluição ambiental. Embora a escória de aço seja uma alternativa sustentável potencial aos agregados naturais, sua aplicação em pavimentos asfálticos enfrenta desafios. Especificamente, existem preocupações relativas à alta porosidade e ao teor de cal livre da escória de aço, que podem levar à expansão volumétrica, ligação fraca entre ligante e agregado e danos induzidos pela umidade (stripping). Além disso, existe uma lacuna de pesquisa significativa em relação à compatibilidade da escória de aço BOF com ligantes asfálticos envelhecidos a longo prazo sob condições indianas, particularmente a falta de um arcabouço multiescala que correlacione os mecanismos de ligação em microescala com o desempenho da mistura em macroescala.

Metodologia
Este estudo empregou um arcabouço de avaliação multiescala para investigar a viabilidade do uso de escória de aço BOF como substituição parcial do arenito em misturas asfálticas. A pesquisa utilizou três tipos de ligantes: VG30 (puro), CRMB (Modificado com Borracha de Pneus) e PMB (Modificado com Polímero), testados tanto em condições não envelhecidas quanto em condições de envelhecimento a longo prazo (envelhecimento PAV).

A metodologia integrou as seguintes abordagens:

• Análise em Microescala:
  • Energia Livre de Superfície (SFE): Utilizada para quantificar a compatibilidade termodinâmica e calcular as energias de adesão seca (DA) e úmida (WA).
  • Microscopia de Força Atômica (AFM): Empregada para avaliar as forças adesivas em nanoescala e a rugosidade da superfície usando os modelos de contato JKR e DMT.
  • Resistência de Ligação do Ligante (BBS): Realizada via teste de tração de arrancamento para medir a resistência de ligação interfacial em estados secos e condicionados por umidade.
• Testes de Desempenho em Macroescala:
  • Resistência à Deformação Permanente (Rutting): Avaliada utilizando o teste de trilha de roda de Hamburg (HWT).
  • Rigidez: Determinada via testes de Módulo Resiliente ($M_R$).
  • Resistência ao Trincamento: Avaliada através do teste IDEAL-CT para calcular o Índice de Tolerância à Trinca (CTindex).
  • Suscetibilidade à Umidade: Medida via teste de Razão de Resistência à Tração (TSR).
• Avaliação Ambiental: O potencial de lixiviação foi analisado para garantir que as concentrações de metais pesados permanecessem dentro dos limites regulatórios da IS 10500.

Principais Resultados

• Adesão Interfacial: A escória de aço demonstrou consistentemente maior energia de adesão do que os agregados de arenito em todos os tipos de ligante. Os ligantes PMB exibiram desempenho de ligação superior em comparação ao VG30 e CRMB. Embora o envelhecimento a longo prazo tenha reduzido a energia de adesão para todas as combinações devido ao endurecimento oxidativo, os ligantes PMB envelhecidos mantiveram valores de adesão mais altos do que seus equivalentes puros.
• Comportamento em Nanoescala e Microescala: A análise AFM revelou que a escória de aço possui uma textura de superfície mais rugosa e maior energia de superfície em comparação ao arenito. O trabalho de adesão (WOA) foi mais alto para a combinação PMB-escória de aço (324,56 mJ/m²). Embora o envelhecimento tenha aumentado a rugosidade da superfície e reduzido as forças adesivas, a interface da escória de aço permaneceu robusta.
• Desempenho Mecânico:
  • Deformação Permanente (Rutting): As misturas com escória de aço exibiram profundidades de trilha significativamente menores do que as misturas com arenito. A mistura PMB-escória de aço não envelhecida apresentou a melhor resistência (1,64 mm de profundidade de trilha).
  • Rigidez: As misturas de escória de aço exibiram valores de módulo resiliente mais elevados. A mistura PMB-escória de aço não envelhecida alcançou o maior módulo (3125 MPa).
  • Trincamento: As misturas de escória de aço demonstraram resistência superior ao trincamento (maior CTindex), atribuída à textura de superfície rugosa e ao formato irregular das partículas, que aumentam o atrito interparticular.
  • Suscetibilidade à Umidade: As misturas de escória de aço mostraram menor energia de adesão úmida e valores de TSR mais altos em comparação ao arenito, indicando melhor resistência ao dano por umidade. Uma forte correlação linear ($R^2 > 0,95$) foi observada entre a Razão de Resistência de Ligação do Ligante (BSR) e o TSR, confirmando que a adesão interfacial governa a resistência à umidade.
• Segurança Ambiental: A análise de lixiviação confirmou que as concentrações de metais pesados (Cádmio, Cobre, Cromo, Níquel, Chumbo, Zinco) nas misturas baseadas em escória de aço estavam abaixo dos limites permissíveis especificados na IS 10500.

Significância e Alegações
O estudo conclui que a escória de aço BOF é uma alternativa viável e sustentável aos agregados naturais de arenito em pavimentos asfálticos. A pesquisa alega que a rugosidade inerente e a reatividade química da escória de aço, quando combinadas com ligantes modificados por polímeros (especificamente PMB), resultam em misturas asfálticas com superior resistência à deformação permanente, ao trincamento e à umidade em comparação com as misturas convencionais.

O artigo enfatiza que a abordagem multiescala conseguiu correlacionar os mecanismos de adesão em microescala (SFE, AFM, BBS) com o desempenho de engenharia em macroescala. Afirma-se que o uso de escória de aço não apenas aborda a escassez de agregados naturais e o ônus ambiental dos resíduos industriais, mas também entrega pavimentos de alto desempenho capazes de suportar o envelhecimento a longo prazo e o carregamento de tráfego. Os autores observam que, embora a toxicidade das misturas tenha sido ligeiramente superior às misturas convencionais devido ao conteúdo de escória, ela permaneceu bem dentro dos limiares regulatórios seguros.

Limitações e Escopo Futuro
Os autores mantêm uma postura modesta em relação à aplicação em campo, observando que, embora os resultados laboratoriais sejam promissores, estudos futuros devem focar na avaliação do desempenho de campo a longo prazo dessas misturas asfálticas baseadas em escória de aço para validar os achados laboratoriais sob condições do mundo real.