Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no setor da construção

Universidade do Minho Escola de Engenharia Joana Rita Fernandes Jorge Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no setor da construção Fevereiro de 2022 Universidade do Minho Escola de Engenharia Joana Rita Fernandes Jorge Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no setor da construção Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Civil Trabalho efetuado sob a orientação de Doutor Joel Ricardo Martins de Oliveira Doutor Vítor Manuel Couto Fernandes Cunha Fevereiro de 2022 ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contatar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-SemDerivações CC BY-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/ iii AGRADECIMENTOS Passados cinco anos, chego à etapa mais desafiante da minha vida académica, a escrita desta dissertação. Este desafio só se tornou possível devido ao apoio de várias pessoas. Aqui expresso os meus sinceros agradecimentos a todos, que direta e indiretamente contribuíram para que este trabalho fosse realizado com sucesso. Em primeiro, agradecer aos meus orientadores, professor Doutor Joel Oliveira e professor Doutor Vítor Cunha por toda a ajuda e disponibilidade demonstrada, motivação, confiança e por todo o conhecimento transmitido. Aos técnicos do laboratório de pavimentos rodoviários, do Departamento de Engenharia Civil, o Engenheiro Carlos Palha e o Miguel, por toda ajuda na execução dos ensaios, bem como pela disponibilidade, apoio e incentivo. Aos meus colegas Carlos e Carol, por toda ajuda, apoio e incentivo durante a realização desta dissertação. Ao Sr. Cunha da eletrónica por todo o tempo dispensado e conhecimento transmitido, só assim foi possível realizar as medições das condutividades. A todas as pessoas com quem me fui cruzando no laboratório de pavimentos rodoviários da Universidade do Minho, que fizeram com que os momentos lá passados se tornassem ainda melhores. Por último gostaria de agradecer à minha família, nomeadamente aos meus pais e irmão, por todo o apoio que sempre me deram e por estarem sempre presentes em todas as etapas da minha vida, agradecer também aos meus amigos de longa data por todos os momentos passados e me lembrarem que existe vida para além da académica. Por fim agradecer aos amigos que a UM me deu, que fizeram com que estes anos fossem inesquecíveis. “A persistência é o caminho do êxito” Charles Chaplin iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no setor da construção v RESUMO Com a crescente preocupação relativamente ao consumo exacerbado de recursos naturais, surge a necessidade de criação de políticas de desenvolvimento sustentável. O sector da construção, nomeadamente, dos pavimentos rodoviários não é diferente, desta forma estes requisitos estão a mudar o paradigma da construção atual incutindo-lhe um carácter iminentemente sustentável, mas mantendo as mesmas propriedades/características, ou eventualmente, até melhores do que os materiais convencionais. A presente dissertação tem como objetivo o estudo da utilização de resíduos industriais com propriedades condutivas, como o ASIC, assim como de outros materiais condutivos como a grafite e fibras metálicas, e consequentemente avaliar as suas capacidades elétricas para o possível desenvolvimento de materiais sensitivos. Esses materiais poderão ajudar no futuro a monitorizar o comportamento dos pavimentos rodoviários onde estiverem inseridos. Neste trabalho foram produzidos vários mástiques contendo diferentes quantidades de fíler, grafite, pó de ASIC e fibras metálicas. As propriedades elétricas dos materiais desenvolvidos foram aferidas através da medição da sua resistividade e condutividade. A influência de diferentes variáveis, tais como, tipo de corrente (AC/DC), frequência e temperatura na resistividade dos materiais foi avaliada para os distintos mástiques produzidos. Aquele que conduziu a melhores resultados (10% grafite), foi considerado para produzir uma mistura betuminosa para comparação com duas misturas de controlo (AC14), uma contendo agregados convencionais e a outra contendo agregados siderúrgicos inertes para a construção (ASIC). Com base nos resultados obtidos, foi possível concluir que a temperatura a que os provetes estão durante as medições da condutividade afeta a mesma de maneira diferente, em função dos materiais utilizados e que isso se deve ao facto de terem um coeficiente térmico positivo ou negativo. Em termos de resultados para a temperatura de 20 °C o mástique com 10% de grafite foi o que apresentou melhores resultados e o que incorporou 10% de pó de ASIC o que apresentou valores mais elevados de resistividade. Já para a temperatura de 5 °C o mástique contendo 10% de grafite + 10% de ASIC apresentou os piores resultados e o de 5% ASIC+5% grafite+ fibras apresentou os melhores resultados. Também se verificou que adição de grafite nas misturas betuminosas em comparação com as misturas convencionais melhora a sua condutibilidade. Palavras-Chave: Misturas betuminosas, Materiais piezoelétricos, Grafite, Fíleres alternativos, Fibras metálicas Sustainable materials with sensitive capacity for application in the construction sector vi ABSTRACT Creating sustainable development policies is necessary with the worrying concern about the exacerbated consumption of natural resources. The construction sector, namely, road pavements, is no different. Thus, these requirements are changing the current construction paradigm, instilling an imminently sustainable character while maintaining the same properties/characteristics, or possibly even better than the conventional materials. This dissertation aims to study the use of industrial waste with conductive properties, such as ASIC, and other conductive materials such as graphite and metallic fibres, and consequently evaluate their piezoelectric capabilities for the possible development of sensitive materials. These materials may help monitor the behaviour of road pavements where they are located in the future. In this work, several mastics were produced containing different amounts of filler, graphite, ASIC powder and metallic fibres. The piezoelectric properties of the developed materials were measured by measuring their resistivity and conductivity. The influence of different variables, such as type of current (AC/DC), frequency and temperature on the resistivity of materials, was evaluated for the different mastics produced. The one that brought the best results (10% graphite) was considered to produce an asphalt concrete mixture for comparison with two control mixtures (AC14), one containing conventional aggregates and the other containing inert steel aggregates for construction (ASIC). Based on the results obtained, it was possible to conclude that the specimens' temperature during the conductivity measurements affects it. The materials have different behaviours concerning temperature variation, and this is because they have a positive thermal coefficient or negative. Regarding the results for a temperature of 20 ºC, the 10% graphite mastic had the best results, and the one with 10% of ASIC had the highest resistivity values. For a temperature of 5 ºC, the mastic containing 10% graphite + 10% ASIC presented the worst results, and the one with the best results was 5% ASIC + 5% graphite + fibres. It has also been found that the addition of graphite in asphalt mixtures compared to conventional mixtures improves their conductivity. Keywords: Asphalt mixtures, Piezoelectric materials, Graphite, Alternative fillers, Metallic fibres Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ vii ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................ x ÍNDICE DE TABELAS ......................................................................................................................... xiv 1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 1 1.1. ENQUADRAMENTO TEMÁTICO ........................................................................................... 1 1.2. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 2 1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ........................................................................................... 2 2. ESTADO DA ARTE ........................................................................................................................ 4 2.1. ENQUADRAMENTO HISTÓRICO .......................................................................................... 4 2.1.2. Evolução do sistema rodoviário ............................................................................... 5 2.1.3. Descrição da constituição dos pavimentos rodoviários ............................................. 8 2.1.4. Produção de resíduos industriais ........................................................................... 12 2.2. A IMPORTÂNCIA DA ECONOMIA CIRCULAR ...................................................................... 20 2.2.1. Introdução ............................................................................................................ 20 2.2.2. Utilização de resíduos industriais em pavimentos rodoviários ................................. 23 2.2.3. Utilização de resíduos de construção e demolição em pavimentos rodoviários ........ 25 2.2.4. Impactos ambientais da utilização de resíduos em pavimentos .............................. 26 2.3. PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS COM INCORPORAÇÃO DE RESÍDUOS ................................... 29 2.3.1. Requisitos técnicos para os materiais a utilizar nos pavimentos ............................. 29 2.3.2. Principais propriedades físicas e mecânicas de misturas betuminosas ................... 30 2.3.3. Desempenho de pavimentos com resíduos ............................................................ 30 2.4. INDÚSTRIA 4.0 ................................................................................................................. 32 2.4.1. Revoluções industriais ........................................................................................... 32 2.4.2. A quarta revolução industrial ................................................................................. 33 2.4.3. Tecnologias facilitadoras para a construção 4.0 ..................................................... 36 2.5. SENSORIZAÇÃO NO ÂMBITO DO SISTEMA RODOVIÁRIO ................................................... 40 2.6. MATERIAIS COM PROPRIEDADES SENSITIVAS .................................................................. 45 Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ viii 3. MATERIAIS E METODOLOGIAS UTILIZADAS ............................................................................... 53 3.1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 53 3.2. MATERIAIS UTILIZADOS .................................................................................................... 53 3.3. CARACTERIZAÇÃO DOS FÍLERES ...................................................................................... 54 3.3.1. Análise Granulométrica ......................................................................................... 54 3.3.2. Determinação da superfície específica (Método Blaine) .......................................... 55 3.3.3. Determinação da massa volúmica dos fíleres pelo método do picnómetro .............. 56 3.3.4. Determinação da massa volúmica do fíler pelo método Le Châtelier....................... 56 3.3.5. Determinação dos vazios do fíler seco compactado (Ensaio de Rigden) .................. 57 3.3.6. Azul de metileno ................................................................................................... 58 3.4. CARACTERIZAÇÃO DO BETUME ........................................................................................ 59 3.4.1. Penetração a 25ºC ................................................................................................ 59 3.4.2. Temperatura de amolecimento .............................................................................. 60 3.4.3. Viscosidade dinâmica ............................................................................................ 60 3.5. Formulação, produção e moldação dos provetes de mástique ........................................... 61 3.6. Avaliação da condutividade dos mástiques em estudo ....................................................... 62 3.7. Estudo e formulação das misturas betuminosas ................................................................ 63 3.7.1. Preparação das misturas ................................................................................................ 65 4. ANÁLISE DE RESULTADOS ........................................................................................................ 67 4.1. RESULTADOS DO ENSAIOS DO BETUME .......................................................................... 67 4.2. RESULTADOS DAS PROPRIEDADES FISICAS DOS FÍLERES ............................................... 68 4.3. ANÁLISE GRANULOMÉTRICA ............................................................................................ 69 4.4. COMPORTAMENTO PIEZOELÉTRICO DAS MISTURAS DESENVOLVIDAS ............................ 69 4.4.1. Influência dos constituintes dos mástiques desenvolvidos em corrente alternada ... 70 4.4.2. Influência dos constituintes dos mástiques desenvolvidos em corrente continua ..... 76 4.4.3. Influência do tipo de corrente ................................................................................ 82 4.4.4. Influência da frequência ........................................................................................ 83 4.4.5. Influência da voltagem .......................................................................................... 84 Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ xv ABREVIATURAS JAE - Junta autónoma de estradas RCD - resíduos de construção e demolição GEE - gases efeito de estufa IoT - Internet of Things (Internet das coisas) APA - Agência Portuguesa do Ambiente ASIC - agregado siderúrgico inerte para a construção RAP - Reclaimed Asphalt Pavement (Mistura betuminosa recuperada) DT - Digital Twins (Réplicas digitais) PRN - Plano Rodoviário Nacional CBR - California Bearing Ratio (Índice de resistência de solos Californiano) Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 1 1. INTRODUÇÃO 1.1. ENQUADRAMENTO TEMÁTICO A rede rodoviária constitui uma infraestrutura de transportes relevantes e imprescindíveis para o desenvolvimento económico-social de um país, pois possibilita a mobilidade de pessoas e mercadorias. A rede rodoviária Portuguesa possui cerca de 17700 km (Infraestruturas de Portugal, RepúblicaPortugal (2021) e, na sua generalidade, é constituída por pavimentos flexíveis. Uma percentagem significativa da rede rodoviária nacional ficou concluída aquando do PRN 2000, o que leva a que uma parte significativa destas estradas se encontrem perto do fim do seu período de vida. Após a conclusão da sua construção, os pavimentos rodoviários iniciam logo um processo de degradação, pois ficam sujeitos a ações diversas como é o caso do tráfego e das condições atmosféricas, derrames de óleo ou até mesmo agentes agressivos, entre outras que contribuem continuamente para a sua deterioração, diminuindo assim a qualidade para o qual foram projetados. Com estes fatores externos que não se conseguem controlar, o nível de serviço da estrada vai gradualmente diminuindo. Para que o nível de serviço se consiga manter ao longo do tempo, o pavimento vai necessitar de ações de conservação ou reabilitação, de modo a manter as suas características funcionais e estruturais ao longo do seu ciclo de vida, se estas ações não se realizarem, com as alterações que existem nas propriedades físico-químicas das misturas betuminosas, como o envelhecimento do betume, a perda do nível de serviço acontece com mais rapidez e de forma mais agravada (Oliveira et al. , 2011). Com o consumo exacerbado de recursos surge a necessidade de mudar o paradigma da economia linear para a circular e da consciencialização da sociedade para o facto de que muitos dos recursos disponíveis serem limitados. Globalmente são extraídos 65 mil milhões de toneladas por ano de recursos virgens. A esse ritmo, em 2050 serão necessários recursos equivalentes a três planetas (Decreto-Lei 73, 2011). Esta preocupação surge em todos os setores, e a indústria da construção não é diferente, pois é um dos que mais recursos consume e causa mais emissões de CO2, nesse sentido, a União Europeia tem implementado medidas de forma a que, em 2030, se tenha uma Europa mais sustentável. A indústria da pavimentação tem apostado em novos métodos que visem a diminuição das emissões de CO2 e no decréscimo da utilização de materiais virgens. Para isso opta-se por soluções que tenham maior durabilidade como é o caso da modificação do betume através de polímeros, alguns deles são borracha de pneus e o polietileno ou a utilização de óleos quer alimentares quer da indústria automóvel, outra Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 2 opção passa pela utilização de materiais de outras industrias para substituição parcial ou total do fíler e agregados, essas substituições passam pela utilização de resíduos ou subprodutos industriais, como escória de aço, resíduos de construção e demolição (RCD) e material fresado de pavimentos (RAP). Tendo em conta estas preocupações ambientais na presente dissertação procurou-se desenvolver misturas betuminosas com capacidade sensitiva utilizando-se para isso fíleres condutores, para melhorar as suas propriedades condutivas aos quais se irá juntar ASIC. Com isto pretende-se dotar as misturas betuminosas de propriedades elétricas, que possibilitem uma melhor monitorização do pavimento, fazendo com que a intervenção do homem seja menor e quando necessária no tempo certo, pois nos pavimentos rodoviários, pequenas deformações não visíveis a olho humano, ou até mesmo se as tensões limites foram ultrapassadas, podem significar danos muito avultados. Por estas razões, produtos iminentemente sustentáveis e tecnológicos podem ter bastante sucesso para solucionar determinadas falhas na rede rodoviária mantendo um carácter iminentemente sustentável. Com estas soluções pretende-se maximizar o período de vida das misturas betuminosas, reduzindo o número de ações de manutenção efetuadas ao longo do tempo, contribuindo simultaneamente para um desenvolvimento mais sustentável a nível ambiental e económico. 1.2. OBJETIVOS A presente dissertação tem como objetivo desenvolver materiais com incorporação de resíduos da construção e demolição (RCD) ou subprodutos industriais que consigam dotar os pavimentos rodoviários de capacidades sensitivas, de modo que estas soluções sejam tecnicamente viáveis e com uma diminuta pegada ambiental. Pretendem-se fazer a caracterização das principais propriedades físico-químicas destes materiais, avaliar a influência da temperatura e da frequência da corrente elétrica na condutividade de diferentes mástiques e misturas betuminosas produzidos com materiais condutivos (grafite, ASIC, fibras metálicas), por comparação com mástiques e misturas produzidos com fíleres e agregados convencionais. 1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO Esta dissertação inclui cinco capítulos para responder ao tema em estudo. Assim, o primeiro capítulo expõe um enquadramento temático da dissertação, os seus objetivos e a metodologia adotada para a execução da mesma. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 3 O segundo capítulo é dedicado ao estado da arte, onde se realizou uma revisão bibliográfica, para permitir inteirar de trabalhos já realizados e adquirir os conhecimentos necessários para a elaboração desta dissertação. Fala-se da necessidade de economia de recursos, alternativas aos pavimentos convencionais, a importância da utilização de resíduos na pavimentação, as suas as vantagens e desvantagens. Aborda-se também as necessidades para a transição da economia linear para uma economia circular, analisa-se os trabalhos de investigação existentes sobre a comparação de pavimentos tradicionais e pavimentos com incorporação de resíduos. Por fim, neste capítulo também se apresenta um pouco das revoluções industriais, as tecnologias facilitadoras da indústria de construção e a construção de pavimentos sensitivos. No terceiro capítulo apresentam-se os materiais utilizados nos mástiques e nas misturas betuminosas e o motivo da sua escolha, a formulação das misturas produzidas, bem como, o modo de execução dos ensaios com uma breve descrição dos mesmos. No quarto capítulo apresenta-se os resultados obtidos nos diversos ensaios realizados. No quinto e último capítulo, apresentam-se as considerações finais, conclusões retiradas bem como trabalhos futuros que poderão ser desenvolvidos no âmbito da temática abordada nesta dissertação. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 4 2. ESTADO DA ARTE 2.1. ENQUADRAMENTO HISTÓRICO As vias de comunicação como hoje são conhecidas, repletas de conforto e qualidade, nada têm a ver com as estradas da antiguidade, quer no seu processo construtivo, quer nos materiais aplicados. Esta evolução deve-se às necessidades da sociedade e ao aumento do volume de tráfego, o que implica que os pavimentos sejam mais resistentes. Estas necessidades levaram a uma evolução dos materiais utilizados e das técnicas de dimensionamento. No entanto, nas últimas décadas este setor deparou-se com outras necessidades, nomeadamente, questões ambientais (Reis, 2009). Um dos principais fatores que contribuem para o desenvolvimento das civilizações, são as infraestruturas rodoviárias. O povo romano foi um dos grandes responsáveis pela evolução rodoviária, devido à necessidade com fins militares, deixando uma vasta rede de estradas, designadas de Estradas Romanas. Estas eram construídas em pedra, tinham diferentes dimensões e espessuras (a dimensão da pedra ia diminuído à medida que se aproximavam da camada superficial), em que a última camada era de granito ou basalto conforme a região, conferindo assim maior resistência ao tráfego e as condições climatéricas (Maré, 2011). Com o fim do Império Romano a rede de estradas evolui de forma natural, mas sem grande planeamento e com a construção de troços curtos, perdendo-se um pouco a noção de rede de estradas, ou seja, os grandes trajetos que ligavam as principais cidades da península ibérica caíram em desuso, ficando toda a rede de estradas segmentada em rotas mais curtas (Rodrigues, 2012). As características das infraestruturas de transportes terrestres tiveram avanços técnicos ao longo do tempo, sempre condicionados por fatores económicos, políticos, sociais e geográficos. Com os avanços tecnológicos tentou-se, entre outros objetivos, minimizar os tempos de deslocação criando uma rede mais uniforme, melhorando o conforto da condução, aumentando a durabilidade dos pavimentos com a finalidade de se reduzir as intervenções de manutenção, bem como melhorar as características relativas ao ruído e diminuir as deformações permanentes e fissuração (Rodrigues, 2012). Os pavimentos rodoviários são infraestruturas muito caras que consomem grandes quantidades de recursos naturais, daí ser importante optar-se pela utilização de resíduos da construção e demolição (RCD), assim como subprodutos de outras indústrias na sua conceção. Da inclusão de resíduos advém uma serie de benefícios para a sustentabilidade ambiental, económica e social, o que reduziria a pegada Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 5 de carbono da indústria da construção, resultaria na conservação dos recursos naturais, redução de emissões prejudiciais e minimização do custo de construção do pavimento (Nwakaire et al. , 2020). A utilização de pavimentos degradados para a construção de novos pavimentos, denominada de reciclagem de pavimentos surgiu na década de 70 nos Estados Unidos. Esta necessidade de ecoinovação surge numa época em que o custo do petróleo registava valores muito elevados, traduzindo-se em custos muito elevados de fabrico, transporte e aplicação das misturas betuminosas. No entanto, na década de 90 surge novamente uma necessidade mais premente da opção pela reciclagem de pavimentos rodoviários, mas desta vez, não só por razões de ordem económica, mas sobretudo devido a fatores de ordem ambiental (Cunha, 2010). A partir dessa altura, os fatores ambientais passam a assumir uma maior importância na escolha do processo de reabilitação de um pavimento. A reciclagem surge como uma solução de resposta às preocupações em relação aos recursos não renováveis e também à deposição dos resíduos provenientes de pavimentos degradados, sendo considerada genericamente como um instrumento de desenvolvimento sustentável (Cunha, 2010). 2.1.2. Evolução do sistema rodoviário As rodovias existem desde a antiguidade e ao longo de anos e séculos tiveram uma grande evolução tanto a nível estrutural como a nível funcional. Estas alterações devem-se ao desenvolvimento do ser humano, leia-se sociedade, dos transportes e à criação do automóvel (Cunha, 2010). As primeiras estradas não surgiram com o império Romano. No entanto foi na época dos romanos que se verificou um avanço significativo na sua construção, para uso militar, devido à necessidade de espalhar e controlar o império, e de forma a facilitar o comércio, pois até essa época grande parte das deslocações era feita por mar. As estradas romanas eram constituídas por 4 camadas, todas feitas em pedra com diferentes dimensões, na camada a hoje chamamos de fundação, eram colocadas grandes pedras formando uma espessura de 30 a 60 cm, esta camada ficou conhecida como “ statumen ”. Por cima desta camada era colocada areia e gravilha até perfazer uma camada de 20 cm, chamada “ rudus ”, por cima da segunda camada levava uma outra de 20 cm designada de “ nucleus ”, constituída por pedra triturada misturada com cal. Por fim a camada superior que hoje corresponde a camada de desgaste designada por “ sumus crustae ” ou “ stratum ”, constituída por lajes de granito ou basalto (Maré, 2011), como se pode observar na Figura 1. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 6 Figura 1 - Esquema estrutural das estradas romanas adaptado (Maré, 2011) Na idade média em Portugal a rede de estradas ainda era pequena, eram feitas em terra batida e estreitas, pois até aqui as deslocações eram feitas através de animais ou a pé, só a partir de meados do século XVIII com o surgimento do serviço de Mala-posta é que se começou a observar ações que conduziram a edificação de novas estradas e de pontes (Pacheco, 2004). Em Portugal a rede de estradas teve a sua grande explosão no século XIX, através de Fontes Pereira de Melo que foi responsável pela construção do primeiro troço de caminho de ferro que ligava Lisboa ao Carregado, reconstrução e manutenção das vias romanas, estas medidas conduziram a que o tempo de deslocação fosse menor e o conforto das vias fosse aumentado (Maré, 2011). A nível global, em meados do seculo XIX deu-se uma grande revolução relativamente à constituição dos pavimentos, designadamente, ao ser introduzido o método McAdam. Esta técnica foi desenvolvida pelo escocês John McAdam, tendo essa prática ficado conhecida como Macadame (Maré, 2011). A técnica consistia em assentar três camadas de brita, numa fundação com valas laterais para a escoamento da água da chuva. Neste método cada camada é constituída por diferentes dimensões e os vazios são preenchidos por saibro, após cada camada estar completa é compactada de modo que as pedras juntamente com o saibro se reajustem de modo a reduzir os vazios, a este pavimento dá-se o nome de macadame hidráulico, pois consegue drenar adequadamente a água (Maré, 2011). No século XX, com o surgimento da Junta Autónoma de Estradas - JAE resolveram-se muitos problemas até aí existentes como estradas muito segmentadas, ausência do fecho da malha e em mau estado, que não abrangiam todo o país. O objetivo primordial da JAE foi a uniformização da rede viária nacional, a requalificação dos antigos troços, dar continuidade à malha viária, para diminuir o tempo e deslocações, e retificar os traçados de forma a permitir maior conforto e segurança (Pacheco, 2004). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 7 A JAE foi também responsável pela substituição dos pavimentos mais antigos feitos em macadame, por betuminoso, paralelepípedos ou cubos. Esta substituição conduziu a grandes melhorias ao nível da aderência e drenagem, o que consequentemente levou a uma maior segurança (Maré, 2011). No início do século XX começou-se a aplicar ligantes com base de hidrocarbonetos. Esta necessidade surgiu nos Estados Unidos com o surgimento do trânsito automóvel, pois o pavimento em macadame, apresentava entraves tanto no verão, que formava grandes quantidades de poeira como no inverno que devido a chuva formava lama. Este método rapidamente se espalhou pela europa, incluindo Portugal, apesar de inicialmente ter sido apenas aplicado a estradas de grande importância (Maré, 2011). No final dos anos 20 deixou-se o revestimento superficial em terra batida e começou a utilizar-se um revestimento de semipenetração, este método consistia em preencher as interfaces da brita com betume, daí surgiu o macadame betuminoso, esta técnica é uma evolução da técnica macadame, mas em vez de na camada superficial se colocar o saibro é colocado betume (Maré, 2011). Na época da segunda guerra mundial, em Portugal, eram aplicados os seguintes pavimentos: i) revestimento superficial betuminoso, ii) semipenetração betuminosa, iii) penetração betuminosa. Todas estas técnicas eram utilizadas para manutenção de estradas com pouco tráfego (Maré, 2011). Já desde a época dos romanos que os pavimentos são constituídos por camadas. A camada de desgaste tem como função assegurar a impermeabilização das camadas inferiores, distribuir as tensões produzidas pelo tráfego, para além das características funcionais de conferir comodidade e segurança. A sub-base é responsável por proteger as camadas inferiores durante a fase construtiva e proteger da subida da água capilar, já base é responsável pela degradação das cargas induzidas pelo tráfego ( InIR , 2009). A fundação é o principal suporte do pavimento, geralmente constituída pelo terreno natural. É com base nas suas características que se dimensiona o pavimento. Quando este solo não apresenta as características ideais acrescenta-se uma camada chamada leito do pavimento, esta camada consiste na colocação de uma camada de solo que pode ser tratada com ligante, para conferir a resistência necessária a fundação, para aí ser assente o resto do corpo do pavimento (Fernandes, 2016, Ribeiro, 2014), cujas camadas podem ser observadas na Figura 2. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 8 Figura 2 - Esquema estrutural de um pavimento De salientar que as diferentes camadas se dispõem, de um modo geral, com qualidade e resistência decrescente, de cima para baixo, em consonância com as progressivas reduções dos esforços em profundidade. Na atualidade, além da preocupação de as estradas oferecerem grande segurança e conforto, acresce o fator da sustentabilidade. Assim, com as incertezas das mudanças climáticas assim como o esgotamento de fontes naturais, como é o caso do betume, principal elemento aplicado nos pavimentos surge a necessidade de mudanças inovadoras que levem a um futuro ambiental melhor para todos. Esses factos reforçam a importância da adoção de estratégias sustentáveis, principalmente para os setores responsáveis pela criação dessas situações prevalecentes (Plati, 2019). Consequentemente, torna-se premente a utilização de materiais reciclados da construção, da indústria metalúrgica e da indústria automóvel, como é o caso da borracha dos pneus, pó de vidro, tijolo triturado, escórias de alto forno, eles conseguem melhorar as propriedades volumétricas e estabilidade das misturas betuminosas, já os resíduos de plástico aumentaram as propriedades do ligante betuminoso (Nwakaire et al. , 2020). 2.1.3. Descrição da constituição dos pavimentos rodoviários A estrutura construída sobre a terraplenagem de um terreno é denominada por pavimento, constituído por múltiplas camadas, com diferentes propriedades geotécnicas que suportam as cargas provenientes do tráfego e transmitem essas cargas ao solo de fundação (Francisco, 2012, Nwakaire et al. , 2020). Os pavimentos têm duas exigências básicas, são elas os requisitos funcionais em que devem proporcionar condições de conforto, economia e segurança aos utentes e os requisitos estruturais, em que devem resistir aos esforços nele aplicados, neste caso as ações do tráfego, sem necessitar de grandes intervenções durante o período de vida útil (Francisco, 2012, Pais et al. , 2000). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 9 Os materiais e as espessuras das camadas do pavimento de uma via, são propriedades intrínsecas dessa mesma via, pois é função do tráfego que essa mesma estrada deverá suportar e igualmente dos atributos do solo de fundação que lhe servirá de suporte. A qualidade do pavimento depende diretamente da qualidade dos materiais utilizados para a sua construção, daí a sua seleção ser criteriosa (Nwakaire et al. , 2020). A produção de materiais é o maior contribuinte de emissões de CO2 na construção de pavimentos rodoviários. Essa fase contribui com até 63% de emissões de CO2, enquanto o transporte de materiais e o equipamento de espalhamento e compactação contribuem com 25% e 12% respetivamente. Isso mostra que até 88% das emissões de CO2 na construção de pavimentos está relacionada com os materiais dos quais os agregados são o principal contribuinte (Nwakaire et al., 2020). Neste momento, em Portugal utilizam-se essencialmente três tipos de pavimentos, os flexíveis, os rígidos e os semirrígidos. Os pavimentos são classificados com base em dois critérios o tipo de material utilizado e a deformabilidade do respetivo pavimento (Loureiro, 2021). Os pavimentos flexíveis caracterizam-se pela utilização de misturas betuminosas na camada superior e materiais granulares nas camadas inferiores. No caso dos pavimentos rígidos, como são construídos para suportarem cargas superiores, a camada de desgaste é composta por betão de cimento e as restantes camadas são de material granular (Francisco, 2012). Por sua vez, o pavimento semirrígido é composto por camadas betuminosas aplicadas sobre camadas com ligantes hidráulicos e agregados granulares (Loureiro, 2021). Pavimentos flexíveis Um pavimento flexível caracteriza-se pela a sua estrutura consistir num revestimento betuminoso apoiado sobre camadas granulares ou de solo estabilizado mecanicamente (Rodrigues, 2012). É o tipo de pavimentos mais utilizado em Portugal. Os pavimentos flexíveis caracterizam-se pela sua capacidade de suporte ser em função das características das camadas sobrepostas, em que as camadas mais próximas do local onde a carga é aplicada são as que possuem melhor qualidade (Rodrigues, 2011b). É a camada de desgaste exposta diretamente às ações climatéricas e às forças do tráfego que é responsável por transmitir esses esforços as outras camadas de forma mais ténue (Rodrigues, 2012). A camada de desgaste é constituída por uma mistura betuminosa, podendo esta ser substituída por um revestimento simples, revestimento duplo ou revestimento duplo invertido. A camada de base é formada por uma mistura betuminosa ou por agregados britados de granulometria extensa e a camada de sub- Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 16 toneladas o equivalente a cerca de 5% da produção mundial e em terceiro o Japão com cerca de 83 milhões de toneladas o correspondente a 4,4%. Já a União Europeia produziu em 2020 o equivalente a 7,4% (Worldsteel, 2021). A indústria siderúrgica tem subprodutos com valor para a indústria da construção, nomeadamente para a dos pavimentos rodoviários. No entanto também liberta uma quantidade de emissões que afetam o meio ambiente como gases, poeiras e petroquímicos (Loureiro, 2021). Areias de fundição Estes resíduos são resultantes da produção de peças industriais através do metal em estado líquido em moldes de areia, estas peças necessitam de ter as dimensões exatas e para isso são utilizados moldes, que podem ser de areia ou metálicos, dependendo da temperatura necessária para fundir o metal. Os moldes de areia são mais utilizados para o aço e o ferro fundido, pois suporta melhor as elevadas temperaturas. No entanto após vários ciclos de fabrico dos moldes, as características da areia mudam e estas deixam de ter qualidade para a execução rigorosa de moldes, tendo que ser substituída, produzindo os resíduos de areia de fundição (AdNormas, 2019). Pneus Um outro material proveniente da indústria automóvel é a borracha resultante dos pneus usados. O seu tratamento é deveras importante pois no final da sua vida, ainda lhe podem ser aplicados quatro tratamentos, que evitam que os pneus fiquem depositados em aterros ao ar livre e que com o passar do tempo comecem a degradar-se e a libertar poluentes para os solos e para a atmosfera. Atualmente, a deposição de pneus em aterros está estritamente proibida ao abrigo da diretiva europeia 2006/12/EC. Para além das limitações legais, convém ter presente que a produção de um pneu novo gasta cerca de 27 litros de petróleo bruto (Deco-Proteste, 2015). Um dos quatro tratamentos aplicados a pneus é a reutilização, emprega-se a pneus ainda em bom estado que são colocados novamente no mercado, outro é a recauchutagem que é um procedimento que consiste na aplicação de um novo piso, das paredes laterais ou dos dois, com o objetivo de se dar uma nova vida ao pneu, outro destes processos é a reciclagem, através do qual se extrai matéria-prima para outras aplicações. Essas matérias são a borracha, aço e têxteis. Por fim, o último tratamento é a valorização energética que abrange a utilização dos pneus usados, como combustível para o fabrico de cimento ou para a produção de eletricidade (Deco-Proteste, 2015, Rodrigues, 2012). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 17 Os pneus em fim de vida podem ter diversas valorizações, uma delas é a incorporação de borracha vulcanizada nas misturas betuminosas, outra consiste na utilização de pneus inteiros ou fragmentados na construção de infraestruturas rodoviárias. A utilização de pneus em diversas configurações permite a aplicação em pavimentos para parques infantis, campos de futebol sintéticos, sobe solos de fracas características mecânicas, em materiais isolantes. A borracha dos pneus retarda a fissuração do pavimento, diminui a penetração do gelo sob os pavimentos, absorve o ruído e aumenta a aderência do pneu-pavimento (Santos, 2010, Vargas, 2013). Existem diversos processos para o tratamento da borracha dos pneus. Os métodos mecânicos e criogénicos são dois dos métodos disponíveis usados durante o processo de reciclagem, sendo estes mais amplamente disseminados e usados em Portugal. O método mecânico consiste nas sucessivas triturações do pneu à temperatura ambiente. Inicialmente, os pneus são reduzidos a fragmentos com 50 mm (intitulados de chips), a seguir já reduzidos a 10 mm noutro triturador, é nesta etapa que se dá a separação dos diversos constituintes do pneu, das fibras, do aço e dos grânulos de borracha. Para o aço esta separação é feita magneticamente enquanto as fibras é com a ajuda de peneiros vibratórios. O método criogénico é caracterizado pelo arrefecimento dos “chips” obtidos no método mecânico através de azoto líquido (Rodrigues, 2012). Em Portugal, no ano de 2019 foram fabricados 8.425.354 pneus de diferentes categorias, desde veículos ligeiros e pesados, bicicletas, máquinas industriais, máquinas agrícolas perfazendo um total de 97,95 toneladas. Das 80,8 toneladas tratadas pela Valorpneu a reciclagem foi o processo que teve maior destino, com 58,4%, seguida da valorização energética com 38,2% (ValorPneu, 2019), como mostra a Figura 5. Figura 5 - Destinos da valorização dos pneus (ValorPneu, 2019) Em 2019, o granulado de borracha representou 62,2% dos pneus transformados, em comparação com o aço e o têxtil, com valores de 20,7% e 16,9%, respetivamente. Em 2019, a Valorpneu reportou que Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 18 foram aplicadas 28,67 toneladas de granulado de borracha, e que metade dessas toneladas, 50,3% foi aplicada em pavimentos diversos. Na Figura 6 pode ver-se quais os principais setores onde o granulado de borracha é aplicado (ValorPneu, 2019). Figura 6 - Aplicação do granulado de borracha nas diferentes atividades (ValorPneu, 2019) Vidro O vidro está presente em quase todas as aplicações do quotidiano, desde uma janela, a um simples frasco de café. No entanto, o vidro tem inúmeras aplicabilidades conforme o seu tratamento, existe vidro aplicado como barreira acústica em estradas de elevado tráfego, vidro com controlo solar, vidros de autolimpeza, vidros anti-bala, vidros para pavimentos como pontes pedonais ou passadiços, fibra de vidro, entre outros. No entanto, se for triturado até ficar em pó pode ser aplicado em pavimentos rodoviários e em betão (Vassiglass, 2017). Nos últimos anos, a taxa de reciclagem de vidro tem vindo a aumentar. No entanto, Portugal continua nos últimos lugares de reciclagem de vidro na Europa, ficando só à frente da Grécia, Lituânia, Turquia e Hungria. Em 2018, quase 13 milhões de toneladas de vidro, em diferentes formas foram recolhidos na União Europeia, colocando a taxa de reciclagem nos 76% a nível europeu (Packaging, 2021). No entanto, Portugal situa-se bastante abaixo desse nível. Em 2016 foram recolhidas 162922 toneladas de vidro e em 2018 foram utilizadas 379 079 toneladas de embalagens de vidro, sendo que foram recicladas apenas 185612 toneladas, deixando a taxa de reciclagem nos 49%. Isto demonstra que muito há a fazer a nível de consciencialização da população (Packaging, 2021). Sílica A sílica é um subproduto do fabrico de metais e de ligas de ferro e silício, sendo utilizada para a produção de betões de elevado desempenho, embora se trate de um produto de custo bastante superior ao do cimento Portland (em Portugal, o seu custo é cerca de dez vezes do cimento Portland). Este subproduto Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 19 não se utiliza muito devido ao seu elevado custo, mas apresenta vantagens ambientais quando comparado com a produção de cimento Portland, visto que para se produzir uma tonelada de cimento Portland, este emite uma tonelada de CO2 (Azevedo, 2002). Cinzas volantes As cinzas volantes são um pó mineral, que resulta das impurezas minerais do carvão, quando este é queimado a altas temperaturas e pressões. As cinzas podem ser provenientes da precipitação electroestática ou captação mecânica. Devido as suas características pozolânicas são empregues como aditivo em argamassas e betões (Yoshitake et al. , 2016). Dependendo do tipo de carvão e método de obtenção a composição química das cinzas volantes é diferente, o que leva a que não tenha todas a mesma aplicabilidade. Para utilização no betão, as cinzas costumam ser classificadas em três categorias de acordo com a norma C618 da ASTM, nomeadamente tipo N, F e C. As do tipo F e C tem propriedades pozolânicas, o que permitem ser utilizadas como ligante. Geralmente, a cinza volante que é oriunda da queima de carvão negro é adequada para a estabilização de solos pois é rica em sílica e alumina e pobre em cálcio e carbono. Quando se aplicam as cinzas em betões ou pavimentos contendo betão deve-se limitar as suas proporções a 10%, pois o carbono orgânico não queimado quebra a continuidade nas reações cimentícias (Austroads, 2019). Cinzas de fundo As cinzas de fundo são comumente conhecidas como escórias e advêm da incineração dos resíduos sólidos urbanos, constituídos sobretudo por matéria inorgânica (Santos, 2010). Sendo indicadas como uma alternativa aos agregados nas camadas estruturais de pavimentos rodoviários, esta reutilização implica uma redução da quantidade de resíduos encaminhados a aterro e traz vantagens não só económicas como ambientais. Este material pode ser aplicado em sub-bases e em leitos de baixo tráfego (Santos, 2010). Plásticos Os plásticos tornaram-se num elemento inevitável no quotidiano do ser humano. Anualmente o consumo de plástico tem vindo a aumentar em todo o mundo, isto acontece devido às suas características, que incluem baixo custo, baixa densidade, longa vida útil, leveza e resistência. O plástico está presente em vários utensílios do nosso quotidiano, como cadeiras, talheres, embalagens, roupas e indústria automóvel, entre outros (Perera et al. , 2019). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 20 O plástico é desenvolvido através da nafta, a nafta é um subproduto do petróleo, que contem matérias relevantes para o fabrico do plástico, dessas matérias destacam-se o benzeno, propeno, eteno e o butadieno. No entanto com a refinação do petróleo consegue-se obter outros subprodutos como o betume, a gasolina e o gasóleo (eCycle, 2011). Anualmente, a Europa gera cerca 58 milhões de toneladas de plástico, das quais 370 toneladas são atribuídas a Portugal. Do total europeu 40% foi utilizado em embalagens, 22% em bens de uso doméstico e consumo, 20% em edifícios e construção, 9% na indústria automóvel, 6% em equipamento eletrónico e 3% na agricultura (ENEA, 2018). 2.2. A IMPORTÂNCIA DA ECONOMIA CIRCULAR 2.2.1. Introdução Atualmente, a sustentabilidade é um dos temas que mais debate suscita a nível mundial, pois a urgência climática leva a que seja necessário tomar rapidamente decisões políticas na persecução de medidas que impactem numa mudança de paradigma. As incertezas que as mudanças climáticas acarretam, bem como o consumo elevado de matérias primas e recursos não renováveis, destruição da camada de ozono, aumento das emissões de gases que provocam o efeito estufa, bem como alto custo de aquisição de materiais convencionais, ilustram a necessidade de mudanças inovadoras que conduzam a um melhor futuro ambiental (Nwakaire et al. , 2020). Segundo o relatório Brundtland desenvolvido sob o auspício da Organização da Nações Unidas (ONU), o desenvolvimento sustentável satisfaz as necessidades do presente sem comprometer a capacidade das gerações futuras poderem também satisfazer as suas, daí ser imperioso apostar-se numa abordagem de economia circular (Teodoro, 2011). Nos dias de hoje, embora já se esteja a mudar para outro sistema económico, o mais utilizado ainda continua o sistema económico linear, este sistema apoia-se numa linearidade de produção e extração de recursos, o que leva a uma maior rejeição dos mesmos e faz com que seja responsável por inúmeros impactes ambientais que se sucedem no planeta. Contudo, inerente à insuficiência de recursos, adicionando o facto de se ter pouco espaço para depósito dos resíduos, impõe-se alterar o padrão da economia linear para uma economia mais sustentável (Nascimento, 2019). Esse novo modelo caracteriza-se pela circularidade no fluxo de materiais, o que leva a que seja entendido como uma economia circular. Esta economia promove o uso eficiente dos recursos devido aos seus ideais assentes Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 21 na reutilização, reciclagem e recuperação dos materiais, com isto, procura-se extrair o maior valor económico e utilidade dos materiais, dando assim ao material uma maior longevidade (Costa et al. , 2017) . A sustentabilidade como já referido é um tema em voga na Sociedade, mas já é uma inquietação que o Homem tem há bastantes anos. Desde os anos 70, em que surgiu a crise de petróleo, que muitas nações investigaram novas fontes de energia, organizando convenções europeias e algumas até mundiais, que ainda existem nos dias de hoje. Nestas reuniões foram afixadas metas, ações e planos que, ao serem executados, possibilitariam repor e proteger os recursos do planeta (Teodoro, 2011). A adoção dos conceitos de desenvolvimento sustentável tornou-se mais importante nos últimos tempos, pois o rápido crescimento da população e da urbanização tem dificultado a conservação e proteção dos recursos naturais (Nwakaire et al. , 2020). Foi nos anos 80 que a palavra reciclagem começou a ser ouvida nos media, de forma a alertar a população para a escassez dos recursos naturais, aquando da verificação da escassez de fontes de petróleo, a palavra reciclagem surge do inglês recycle que significa repetir o ciclo (Teodoro, 2011). Vários países adotaram convenções para atingir as suas próprias metas. Em Portugal algumas delas passaram pelo estabelecimento da reutilização de 70% dos RCD´s produzidos, a cumprir até 2020 e a obrigatoriedade da aplicação de 5% de materiais reciclados em obras com contratos públicos de edificação e de conservação, nomeadamente, cumprindo o Decreto-Lei n.º 73/2011 (APA, 2018a). Pode dizer-se que a construção sustentável se baseia essencialmente em 8 pilares, respetivamente identificados na Figura 7. Figura 7 - Pilares da construção sustentável (Teodoro, 2011) Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 22 A indústria da construção civil é uma das que mais resíduos produz e energia consome e, consequentemente, mais recursos explora, o que leva a sua escassez. Por estas razões, ao longo dos anos, surgiu a necessidade de dar um novo uso a esses resíduos, numa tentativa de aumentar os índices de sustentabilidade desta atividade. Estes resíduos são provenientes da construção e demolição, restos das explorações de pedreiras e da construção de obras geotécnicas e hidráulicas (Fernandes, 2012). A nível europeu, os resíduos resultantes da construção civil (RCD’s) representam produção de um terço da produção total de resíduos. Em Portugal 73% dos materiais extraídos correspondem a materiais não metálicos (APA, 2018a). No setor da pavimentação já existem vários estudos na área da aplicação de RCD em camadas de base, sub-base e camadas drenantes, no entanto estes novos materiais devem possuir um desempenho igual ou superior ao de materiais novos. De salientar que nenhum dos novos produtos será 100% reciclado (Nwakaire et al. , 2020). Uma mistura betuminosa tradicional é constituída por 95% de agregado e 5% de betume. Com estas percentagens consegue-se perceber que o emprego de agregados reutilizados/reciclados nos pavimentos é uma mais valia pois evita os danos ambientais causados pela exploração mineira, pode levar a uma redução do custo do pavimento, para além de se conseguir alcançar um nível elevado de sustentabilidade (Nascimento, 2019). A produção mundial anual atual de betume é de 102 milhões de toneladas, sendo 85% desse volume usado como aglutinantes em inúmeras aplicações de pavimentação de estradas (Tokede et al. , 2020). É necessário pôr um travão urgente na exploração dos recursos, pois globalmente são extraídos 65 mil milhões de toneladas ao ano de recursos virgens. A esse ritmo, em 2050 serão necessários recursos equivalentes a três planetas (Decreto-Lei n-º 73/2011). A exploração de materiais provoca muitos gases efeito de estufa, sendo assim um material desde a sua extração/processos de produção e aplicação mesmo antes de ser utilizado já gerou 70% de emissões. A indústria dos pavimentos rodoviários tem vindo a contribuir para diminuição das emissões de Gases com Efeito de Estufa, GEE, para isso apostou na construção sustentável, técnicas de construção inovadoras e descarbonização do transporte rodoviário (Loureiro, 2021). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 23 2.2.2. Utilização de resíduos industriais em pavimentos rodoviários As inúmeras opções disponíveis devem ser investigadas sob todos os aspetos, com o objetivo de otimizar os potenciais resultados. O projeto de pavimentos sustentáveis é baseado em alguns critérios, como minimizar o uso de recursos naturais, reduzir o consumo de energia e as emissões de GEE, limitar a poluição do solo, do ar e da água, reduzir a produção de ruído, bem como garantir a segurança e a prevenção de riscos para o utente (Jamshidi et al. , 2016a). De seguida apresenta-se um conjunto de exemplos de aplicação de resíduos ou subprodutos industriais na construção ou reabilitação de pavimentos rodoviários. Resíduos de vidro O uso de resíduos de vidro é uma alternativa para a substituição parcial de agregados naturais nas misturas betuminosas e de betão. O uso de resíduos de vidro melhora o desempenho estrutural do pavimento, aumentando a resistência, durabilidade, mas também a estética (Jamshidi et al. , 2016b). A incorporação de resíduos de vidro até 15% em misturas de betão contendo agregados reciclados de betão é fortemente recomendada para camadas de base e sub-base (Plati, 2019). Já a utilização de pó de vidro como substituto parcial do cimento em misturas de betão, ou mesmo como fíler em misturas betuminosas, apresenta boas propriedades mecânicas levando ao aprimoramento de algumas características como resistência ao gelo-degelo, resistência à permeabilidade de iões de cloreto, contribuindo também para a redução das emissões de GEE e dos impactos e custos relacionados com o uso do aterro (Omran e Tagnit-Hamou, 2016). Pó de tijolo O pó de tijolo pode ser empregue nas misturas betuminosas como substituto do fíler, permitindo o aperfeiçoamento de algumas propriedades mecânicas, como é o caso da resistência à deformação permanente bem como melhor desempenho à fadiga (Chen et al. , 2011). O pó de tijolo pode ser igualmente utilizado como substituto parcial do cimento convencional e como estabilizador de solos (Kinuthia e Nidzam, 2011). Resíduos de areia de fundição Resíduos de areia de fundição podem fazer uma substituição parcial de agregado fino em misturas de betão e betuminoso. A sua resistência pode levar a melhoria da qualidade das misturas de betão. A substituição do agregado fino até 20% é aceitável e tem um efeito positivo nas propriedades mecânicas Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 24 das misturas de betão (Basar e Deveci Aksoy, 2012) . Quanto aos pavimentos, estes resíduos são adequados para uso em sub-base (Yazoghli-Marzouk et al. , 2014). Cinzas volantes As cinzas volantes funcionam como substituto parcial do cimento, o que é proveitoso, pois tem um custo menor. As percentagens mais comuns de substituição variam entre 15 a 40%. Alguns dos benefícios de se utilizar cinzas volantes em betões é a redução do calor de hidratação, maior trabalhabilidade da mistura, menor absorção de água e uma atenuação da reação álcali-sílica (Plati, 2019). Ensaios em betões contendo elevadas percentagens de cinzas volantes mostram resultados positivos nas suas características físicas, tais como menor necessidade de água, boa trabalhabilidade e resistência à abrasão melhorada, no entanto as suas propriedades mecânicas não sofrem alterações significativas (Alaka e Oyedele, 2016), não sendo de descurar um efeito pozolânico a longo prazo. Outros estudos apontam que a junção de cinzas volantes com RCD constituem uma mistura ideal para ser aplicada em estabilizações de camadas de pavimento (Plati, 2019). Pneus usados O armazenamento de pneus usados em locais inapropriados cria muitos riscos ambientais, como a poluição do ar, da água e do solo, o que leva a problemas de saúde. A estes problemas acresce o facto de os pneus serem feitos de materiais incompressíveis e não biodegradáveis, o que conduz a que a sua degradação seja extremamente lenta (Arulrajah et al. , 2019). No entanto, este problema pode ser minimizado pois os pneus conseguem ser incorporados em diversas formas nos pavimentos rodoviários, bem como noutras soluções para o sector da construção. A incorporação da borracha nos pavimentos rodoviários pode ser feita de duas maneiras, através da modificação do betume, onde a borracha fragmentada é dissolvida no betume ou então como substituto parcial dos agregados finos (Huang et al. , 2007). As misturas betuminosas que contém este tipo de borracha veem a sua suscetibilidade à temperatura melhorada, assim como o seu desempenho a fadiga. A introdução de borracha nas misturas betuminosas reduz o ruido gerado aquando da passagem dos veículos (Plati, 2019) e a borracha aplicada em camadas de base e sub-base diminui a profundidade de penetração do gelo (Huang et al. , 2007). Os pneus podem ser aplicados nas fundações dos pavimentos e em relação ao solo compactado apresentam inúmeras vantagens, apresentam melhor condutividade térmica, são mais leves e têm uma elevada resistência ao Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 25 corte. No entanto, ao serem aplicados em camadas mais profundas deve-se ter em conta a lixiviação para não contaminar o solo (Huang et al. , 2007). Agregado Siderúrgico Inerte para a Construção A introdução de agregado siderúrgico inerte para a construção (ASIC) nas misturas betuminosas melhora a resistência ao fendilhamento e à humidade (Plati, 2019). No entanto, a sua geometria leva a um aumento do consumo de betume, pois este material é mais poroso e anguloso que os agregados convencionais. Existem estudos que referem que misturas contendo apenas ASIC apresentam uma percentagem de vazios acima da permitida e dificuldades de compactação (Kavussi e Qazizadeh, 2014). 2.2.3. Utilização de resíduos de construção e demolição em pavimentos rodoviários Material betuminoso recuperado O material betuminoso recuperado, conhecido na terminologia Anglo-Saxónica como Reclaimed Asphalt Pavement (RAP), resulta da fresagem das camadas superficiais dos pavimentos betuminosos (Plati, 2019). Nos últimos anos tem-se utilizado bastante o RAP para a substituição parcial dos agregados nos pavimentos. No entanto ainda se aplica em pequenas percentagens. Isto acontece porque não é muito habitual o RAP ser utilizado nas fundações do pavimento, que devido a sua maior espessura conseguia consumir mais quantidade de RAP. Como o RAP apresenta características mecânicas inferiores aos agregados convencionais, quando se utiliza o RAP em grandes percentagens em camadas de base e subbase é adicionado cimento para melhorar essas características (Costa et al. , 2020). Em camadas base e de sub-base pode-se aplicar até 50% deste material, mas recomenda-se potencialmente um uso entre 15 a 30%, para as propriedades do material não serem afetadas. O uso do RAP em camadas betuminosas ainda não é consensual pois em alguns países não é permitida a sua incorporação em camadas superficiais enquanto noutros países é totalmente o oposto, pois permitem a substituição integral do agregados convencionais por RAP (Plati, 2019). Quando se opta pela substituição, esta tem efeitos positivos na rigidez e na deformação permanente. No entanto, em relação à fadiga o pavimento já vê as suas características pioradas (Costa et al. , 2020). Um dos maiores obstáculos à utilização de RAP está associado à sua utilização com ligantes cimentícios, pois o betume que envolve a superfície dos agregados está envelhecido, para além de os agregados não conseguirem ser envolvidos diretamente pelo cimento, isto leva a que pavimentos contendo ligantes cimentícios e RAP tenham propriedades inferiores (Saride et al. , 2016). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 32 máxima mais elevados, e um de teor em água ótimo mais baixo e apresentavam valores três vezes superiores aos da mistura de solo selecionado e o dobro na mistura solo-brita no ensaio CBR. Também Lima et al. (2000) compararam o desempenho de dois pavimentos construídos com escórias de aciaria processadas e com agregados naturais. No primeiro usaram escórias de aciaria para a camada de base e sub-base e na camada de desgaste (com 2 cm) utilizou-se os materiais normalmente aplicados nesse tipo de camada. O outro pavimento foi construído com 100% de agregados naturais e a camada de desgaste tinha uma espessura de 13 cm. Deste pequeno estudo concluíram que ambos os pavimentos eram equivalentes e que os módulos reversíveis, alcançados por retro-análise, no pavimento que continha escórias processadas eram proximamente 3 a 4 vezes mais elevados, comparativamente com o pavimento dito convencional (Ferreira, 2010). 2.4. INDÚSTRIA 4.0 2.4.1. Revoluções industriais A nível mundial, a população depara-se com novas tecnologias, mas o que é a tecnologia? Tecnologia pode ser definida através da sua origem grega, tekhne + logia , que relaciona a ciência com a engenharia. O mundo já passou por 3 revoluções industriais, e hoje assiste-se à era da indústria 4.0, o que representa a quarta revolução (Figura 10). A indústria como hoje é conhecida, sofreu várias mudanças ao longo da história, crescendo sistematicamente de acordo com as novas descobertas e desenvolvimentos ao longo dos últimos séculos. Todas as revoluções caracterizaram-se por um grande avanço tecnológico, desafios e oportunidades e alguns inconvenientes (Santos et al. , 2018). Figura 10 - As quatro revoluções industriais adaptado (Hoff, 2016) Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 33 A primeira revolução surgiu em Inglaterra no final do século XVIII com a invenção da máquina a vapor e mecanização das tarefas, a segunda caracterizou-se pela descoberta da energia elétrica e produção em massa, isto durante o final do século XIX, neste período surge o Fordismo, criado por Henry Ford, este movimento está relacionado com a produção e com o consumo em massa, foi em 1914 que a industria automobilística se revolucionou, pois nesse ano Henry Ford exibiu a primeira linha de montagem automatizada. A terceira revolução ficou conhecida pela revolução informacional, visto que as grandes áreas desenvolvidas foram a eletrónica, informática, automação e telecomunicações, o que permitiu que surgissem os primeiros computadores, telemóveis e a automação e robotização de algumas linhas de montagem, no entanto áreas como a nanotecnologia e biotecnologia também foram desenvolvidas durante a segunda metade do seculo XX (Coelho, 2016). A 4ª revolução surgiu no início do século XXI com os sistemas ciber-físicos e sistemas inteligentes que possibilitam que as estruturas notifiquem as pessoas, através da colocação das informações em rede, na nuvem ( cloud ), isto só é possível através de sensores conectados via wireless (Borlido, 2017). 2.4.2. A quarta revolução industrial Atualmente, a Sociedade não vive na era do facilitismo, mas numa época do digital em que tudo o que se quer saber está à distância de um clique. Todos os dias aparecem novos equipamentos, aplicações, plataformas e múltiplos softwares de gestão que auxiliam a descomplicar o dia-a-dia das empresas. Quando se trata do conceito da Indústria 4.0, existem diversos conceitos e tecnologias inovadoras envolvidas nesta tendência global, tais como: sistemas cyber-físicos, internet of things (loT), e de serviços (IoS), comunicação entre máquinas, automação industrial, equipamentos autónomos e inteligentes, dispositivos móveis inteligentes, Big Data , digitalização dos produtos e processos, tecnologias de computação visual como realidade virtual e aumentada, processamento de imagens 3D, interfaces de interação homem-máquina, cloud computing , manufatura aditiva e introdução de inteligência artificial (Kagermann et al. , 2013, Porter e Heppelmann, 2015, Santos, 2018). Segundo Cozmiuc e Petrisor (2018), existem quatro pilares que criaram esta quarta revolução industrial são eles a interoperabilidade, transparência da informação, assistência técnica e decisões descentralizadas. A interoperabilidade significa explorar a IoT para conectar pessoas, dispositivos, máquinas e robôs com o objetivo final de automatizar o máximo possível a fabricação, o chamado conceito de fábrica totalmente automática. O termo de transparência de informações destina-se ao conceito de Digital Twins, cópias Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 34 virtuais de objetos reais e enriquecimento do virtual com dados extraídos de sensores reais (Ceruti et al. , 2019). A assistência técnica consiste em dar o apoio aos operadores com informações que podem ser visualizadas quando necessário para resolver problemas em tempos curtos e cada vez mais apostar na substituição de humanos por máquinas ciberfísicas (Ceruti et al. , 2019), por fim, o conceito de decisões descentralizadas propõe máquinas inteligentes capazes de tomar decisões de forma automatizada, resolvendo paradoxos e problemas de planeamento complexos sem intervenção humana, onde o operador passa a ser um supervisor (Marcon et al. , 2017). A quarta revolução industrial conduz a uma melhoria na eficiência e qualidade nos processos, ela caracteriza-se pela digitalização e impressão 3D, que facilita o desenvolvimento de protótipos de forma rápida, precisa e económica, cooperação homem-máquina, sistema de armazenamento e análise de dados, realidade virtual, monotorização de todos os produtos e processos. No entanto também apresenta inconvenientes, um dos principais é conseguir que todos os elementos da indústria desde fornecedores, produtores e clientes se adaptem ao mesmo tempo, ou seja invistam em simultâneo nas tecnologias que os permitem ficar ligados, a isto soma-se o crescente risco de crimes cibernéticos, a alta dependência tecnológica e a falta de pessoas qualificadas para lidar com a tecnologia (Borlido, 2017). No entanto, a indústria 4.0 traz inúmeras vantagens como o aumento da produção, menor custo de produção, aumento da produtividade, aumento da receita, informações relacionadas com os níveis de stock, alertas para problemas ou falhas, alterações nas ordens de produção, contribuindo para que as máquinas atuem cada vez menos com a intervenção do homem, otimização dos processos produtivos e diminuição dos erros e permite a tomada de decisões na hora adequada (Ribeiro, 2017). Contudo, uma fábrica inteligente não pode trabalhar sozinha, existe uma necessidade de conexão entre outras fábricas inteligentes e produtos inteligentes, daí a tecnologia 4.0 ter 3 pilares essenciais para colmatar esses entraves (Figura 11). O primeiro, digitalização e integração de cadeias de valor verticais e horizontais, consiste no acompanhamento do produto durante todo o seu ciclo de vida desde a matéria prima, até chegar ao consumidor final (Ribeiro, 2017). Este processo ocorre através das redes de valor que utiliza as novas tecnologias para trocar e gerir informações entre os intervenientes do processo, permitindo uma colaboração mais estreita entre clientes, fornecedores e parceiros de negócios (Santos et al. , 2018). O segundo pilar é a digitalização de produtos e ofertas de serviços e o terceiro é o desenvolvimento de novos modelos de negócios digitais e plataformas de acesso ao cliente (Pwc, 2016). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 35 Figura 11 - Pilares da indústria 4.0 (Pwc, 2016) As oportunidades de digitalização, integração e automação oferecidas permitem que as empresas colaborem tanto internamente, como externamente o que pode acarretar uma mudança radical na produtividade, bem como no design e na qualidade de construção (Pwc, 2016). Internet of Things loT está relacionado com o facto de objetos físicos estarem ligados à internet através de dispositivos eletrónicos. Na atualidade, a loT está presente no nosso quotidiano, a interligação entre os mundos digital e real tornou-se um facto, pois isto acontece desde o simples ato de usar o telemóvel para ligar qualquer eletrodoméstico a distância, rastrear uma encomenda ou saber se um avião está atrasado, verificar o estado de desgaste dos nossos equipamentos e se indispensável permitir que o próprio equipamento agende a sua manutenção. Com estes exemplos pode concluir-se que a loT permite a comunicação entre equipamentos ( machine-to-machine ) sem intervenção humana, através da internet (Coelho, 2016). Cloud computing A Cloud computing surge da necessidade de as empresas já não conseguirem armazenar toda a informação dos produtos desde o inicio do seu processo (matéria prima) até este estar pronto para ser vendido ao consumidor (Borlido, 2017). A cloud permite armazenar quantidades massivas de informação, para além de conseguir ter a informação sempre atualizada e todas as pessoas com autorização acedem a ela em qualquer parte do mundo, de uma forma bastante simples e rápida (Apd, 2019). A cloud computing não é nada mais do que o compartilhamento de servidores que estão interligados por meio da Internet (Borlido, 2017, Gallo e Santolamazza, 2021). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 36 Big Data Analytics Big Data Analytics consiste na gestão e interpretação de todas as informações em tempo real, o que permite a tomada de decisões com precisão e confiança na hora adequada (Finogeev et al. , 2019, Gallo e Santolamazza, 2021). Na Figura 12 pode ver-se como se deve proceder à análise dos dados gerados pela Big Data Analytics . Figura 12 - Importância da Big Data Analytics (Coelho, 2016) 2.4.3. Tecnologias facilitadoras para a construção 4.0 A quarta revolução industrial conseguiu formar as indústrias inteligentes. A indústria inteligente (Figura 13) caracteriza-se essencialmente por 4 pilares, a cloud , uma análise de dados em tempo real, a loT e a colocação de sensores. O seu grande objetivo é armazenar a maior quantidade de dados, processá-los e emitir alertas em tempo real, otimizando os custos e tempo. Figura 13 - Conceito de indústria inteligente Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 37 A tecnologia 4.0 traz inúmeras vantagens, daí as empresas adaptarem a Indústria 4.0 à Construção 4.0. Este é um dos setores que menos proveito tira da tecnologia, mas o paradigma está a mudar pois a digitalização traz inúmeras vantagens tais como: rápido acesso à informação, uma vez que ela esta toda concentrada na cloud , aumento da produtividade, pois como a informação esta toda concentrada permite evitar falhas e tomar decisões no tempo certo, diminuição de erros e falhas através do sensores instalados o que permite acompanhar a tarefa em tempo real; redução de custos, pois existem menos falhas e há um aumento de produção (Ribeiro, 2017). Adicionalmente, existem outras tecnologias como a impressão 3D, realidade virtual, realidade aumentada, digital twins , manufatura aditiva e os sensores que se tornaram uma grande ajuda para as indústrias. Estas permitem que as empresas consigam cobrir toda a logística desde o projeto até ao objeto físico, vendo quais as etapas que se sucedem, visualizando como deveria ficar o objeto ao fim de determinada fase. As soluções acionadas por drones também tendem a tornar-se cada vez mais predominantes para a recolha de dados. Digital Twins Os digital twins - DT oferecem a possibilidade de se acompanhar o desempenho de produtos ou fábricas em diferentes contextos e reduzir a duração do processo de desenvolvimento do produto e da produção em contextos industriais. Isto é bastante útil pois num ambiente muitíssimo competitivo e altamente concentrado no tempo de chegada ao mercado esta ferramenta mostra-se bastante útil (Cugno et al. , 2021). O DT incorpora uma imagem “virtual” da realidade constantemente sincronizada com o panorama real, o que permite analisar o modelo e fazer o paralelismo com a realidade (Semeraro et al. , 2021). O DT tem como objetivo criar modelos virtuais de alta-fidelidade. O DT pode ser desenvolvido para cada fase do ciclo de vida do produto, absorvendo diferentes funções. Na fase de projeto pode ajudar os projetistas a formar e validar mais rapidamente os cenários futuros. Na fase de fabrico, o DT permite a simulação, estimando quais os materiais e quantidades necessárias em cada momento (Semeraro et al. , 2021). As empresas aeroespaciais começaram a utilizar os DT para cumprir a meta de reduzir o tempo de inatividade. O uso de Digital Twins na aeronáutica permite a receção de avisos e previsões antecipadas, mas também preparar um plano de ações baseado em cenários simulados que consideram as condições climáticas, o desempenho do cenário e várias outras variáveis (Tuegel et al. , 2011). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 38 O DT não é só utilizado na engenharia, também pode ser usado na área da saúde como a prevenção e gestão de doenças cardiovasculares usando tecnologia sem fio e sensores (Shengli, 2021). Manufatura aditiva A Manufatura Aditiva ou impressão 3D é um método no qual a fabricação de componentes é feita através da deposição camada por camada de material sobre uma base ou substrato ou sem ele (Lopes, 2016), decorrente de um controlo informático e automatizado, e que permite a obtenção de um objeto final planeado em ambiente virtual (Moreira, 2017). Um projeto CAD é preparado e as informações para cada camada são armazenadas em arquivos STL, também chamados de estereolitografia. A configuração envolve um computador que controla tudo, braços robóticos, ambiente de blindagem e sistemas de digitalização e gravação (Rasiya et al. , 2021). Segundo Lopes (2016) o sistema de Impressão 3D desenrola-se de acordo com as seguintes etapas • Concetualização; • Elaboração tridimensional do objeto em plataforma CAD ou obtenção do mesmo a partir de um objeto real, com recurso a um scanner 3D; • Conversão do ficheiro para o formato stl (stereolithography) ou amf (additive manufacturing format); • Processamento do ficheiro, nesta fase o objeto é “fatiado”, cada camada contém a informação necessária para o ficheiro ser traduzido para linguagem G-code, para posteriormente a máquina interpretar e executar; • Construção/impressão. Na Figura 14 pode-se visualizar o fluxo do processo de impressão 3D. Figura 14 - Fluxo de trabalho da impressão 3D adaptado (Silva, 2020) Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 39 A impressão 3D é útil em vários setores desde a indústria, engenharia, passando pela medicina. Na biotecnologia e na medicina, pode ajudar na reconstituição e substituição de tecidos e até órgãos inteiros, o que de momento ainda não é possível com as tecnologias atualmente existentes (Santos, 2018). Neste momento a impressão 3D é mais utilizada para a criação de vasos sanguíneos artificiais, existem já vários estudos sobre a bio impressão de órgãos, mas neste campo ainda existe muito para explorar. As técnicas de nanolitografia e a fotolitografia permitem a criação de bio chips e biossensores (Rasiya et al. , 2021). Outra área de aplicação da impressão 3D são setores da arquitetura e construção civil, onde é possível fabricar grandes estruturas e com geometrias complexas, sem a necessidade de moldes, num curto período de tempo através de impressoras com grandes dimensões (Santos, 2018). Com a impressão 3D, na construção civil consegue-se reduzir os custos de produção, os desperdícios e produzir estruturas mais leves, e com a capacidade de introduzir funcionalidades nas diversas camadas de uma forma simples, estas vantagens alinhadas com as já mencionadas tornam a impressão 3D extremamente funcional e útil na construção civil (Silva, 2021). Estas inovações na produção de elementos, de edifícios ou infraestruturas possibilitam que a área da construção avance para a Indústria 4.0 (Silva, 2021). Alguns dos materiais que conseguem ser impressos em 3D são o alumínio, o aço inoxidável, os polímeros, o titânio, os cerâmicos e o betão (Silva, 2020). Realidade virtual VS Realidade aumentada Estes tipos de realidade caracterizam-se por uma relação entre o Homem e a máquina, que envolve a computação gráfica, processamento de imagens e sons e inteligência artificial. Toda esta evolvente dá a sensação de presença no mundo virtual (Costa, 2020), ou seja, o utilizador é transportado para um ambiente fictício, fazendo com que a pessoa se abstraia da realidade, a este processo atribui-se o nome de experiência imersiva. A realidade aumentada caracteriza-se por ser uma reprodução do mundo real, criada por um computador em que alguns elementos se sobrepõem ao mundo real. A realidade virtual teve o seu inicio nos videojogos, no entanto devido ao seu potencial demonstra ser bastante útil na engenharia e arquitetura (Costa, 2020). Esta realidade permite um maior equilíbrio entre o real e o virtual em oposição a realidade virtual que envolve o utilizador num ambiente totalmente virtual. Juntando estas duas realidades ao mundo real elas acarretam incalculáveis vantagens para a área da construção e arquitetura, pois possibilitam que a construção de um edifício seja acompanhada desde a fase de projeto até a sua edificação, permitindo que o cliente visualize o protótipo final mesmo antes de Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 40 estar concluído e que acompanhe as várias etapas. Este acompanhamento do início ao fim da construção permite detetar precocemente alguns erros e conflitos nas diversas especialidades e consequentemente uma redução dos custos (Bouchlaghem et al. , 1996, Woksepp, 2007). Um exemplo de realidade aumentada é o Building Information Modelling , BIM, (Figura 15), pois permite na fase de projeto acompanhar a modelação do espaço, as redes de abastecimento, esgotos, AVAC e detetar os seus requisitos funcionais e, na fase de construção, o planeamento e supervisão dos processos construtivos (Bouchlaghem et al. , 1996). A realidade aumentada permite que o projeto final seja introduzido num terreno vazio ou com outros edifícios, isto permite ter noção do enquadramento paisagístico do edifício em construção. Como este é um método bastante visual permite que o utilizador, mesmo inexperiente, consiga detetar erros no modelo 3D do projeto (Behzadi, 2016, Costa, 2020). Figura 15 - Benefícios do BIM na construção (Costa, 2020) 2.5. SENSORIZAÇÃO NO ÂMBITO DO SISTEMA RODOVIÁRIO Na atualidade, cada vez existem mais sensores, de menor dimensão e custo, aplicados a diferentes áreas, como na biologia, eletrónica, medicina e na engenharia (Palha, 2012). No entanto, estes não são restritos às grandes indústrias, cada vez mais no nosso dia-a-dia nos deparamos com a presença de sensores, como por exemplo o detetor de fumo alertando para um incêndio, sensores de pressão utilizados nos vidros do carro e sensores de movimento quando a luz das escadas do prédio se acende (Marques, 2013). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 41 Os sensores têm provado ser essenciais para a automatização dos processos de manufatura, eles foram criados há mais de 60 anos. Eles são aplicados mundialmente em várias industrias, pois proporcionam a monitorização do que sucede nas linhas de produção, sem a necessidade de qualquer contato físico, estes sensores denominam-se por sensores inteligentes (Marques, 2013). São denominados de sensores inteligentes, pois se estiverem integrados em interfaces de rede permite que eles possam formar as redes de sensores, que se ligados à internet permitem o acesso remoto aos sensores e aos atuadores. Na área da engenharia são aplicados em várias indústrias, incluindo no sector da construção. Relativamente à área da construção civil, os sensores adquirem um papel importante na monitorização das estruturas, para obtenção de várias informações como é o caso do endurecimento do betão, o ganho de resistência no betão e o nível de oxidação do aço e medições das vibrações (Shin et al. , 2008), por isso já se aplicarem em grandes obras de arte, como o caso de pontes. No que concerne aos pavimentos rodoviários estes são aplicados para medir propriedades intrínsecas do material e fatores externos, como propriedades intrínsecas destaca-se a deformação e como fatores externos a medição de parâmetros climatéricos, como é o caso da temperatura e humidade, e medições do tráfego (Palha, 2012). Existem diversos tipos de sensores para uso na indústria, o sensor deve ser escolhido conforme o ambiente em que se vai enquadrar, pois existem fatores como o calor, a luz e a distância de aproximação que podem influenciar o seu desempenho. Existem sensores de pressão, sensores de nível, sensores de vazão e sensores de temperatura. Quanto ao princípio de operação os mais comuns são os magnéticos, ultrassônicos, capacitivos, fotoelétricos, e os indutivos. Os principais sensores que se utilizam nos pavimentos são sensores medidores de pressão para quantificar de que forma as tensões são aplicadas no pavimento pelos veículos. Existem ainda extensómetros que permitem medir as deformações, tanto verticais como horizontais das camadas do pavimento e acelerómetros estes últimos são mais utilizados em linhas férreas. Nos pavimentos existem sensores externos que permitem monitorizar fatores climáticos como a temperatura, pluviosidade, humidade, velocidade do vento e radiação solar, estes sensores também tem grande importância, pois as condições climatéricas influenciam bastante a durabilidade de um pavimento (Palha, 2012). O principal obstáculo para a utilização generalizada de sensores prende-se com o facto de muitos deles necessitarem de energia, o que obriga ao uso de baterias ou sistemas solares (Di Graziano et al. , 2020). Quanto ao modo de funcionamento, os sensores mais utilizados nos pavimentos são os piezoelétricos, pois estão aptos a produzir corrente elétrica como resposta a uma força mecânica aplicada neles (Palha, Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 48 Figura 19 - Regeneração por aquecimento por indução eletromagnética (Loureiro, 2021) Segundo diversos estudos científicos este é um tema em que a sua taxa de sucesso não é igual em todos os casos, pois existem diferentes taxas de adição de materiais com capacidades eletromagnéticas. A temperatura de aquecimento, a frequência e a potência da corrente elétrica são alguns dos parâmetros que levam a que os resultados obtidos não sejam positivos em todos os estudos. A taxa de eficácia do aquecimento por indução é dependente da frequência do campo magnético, das propriedades elétricas e térmicas e da permeabilidade magnética das misturas betuminosas (Loureiro, 2021). Autolimpeza A urbanização levou ao desenvolvimento de edifícios e arranha-céus que utilizaram o vidro como fachada, estas fachadas requerem limpeza periódica devido à adesão de poeira da poluição das cidades. Anteriormente, os métodos de limpeza tradicionais dependiam de trabalho humano eram muito dispendiosos para além de perigosos (Khairudin et al. , 2020). No entanto, não só as fachadas de vidro que sofrem com a poluição aérea, os revestimentos das fachadas, como tijolos e tintas também sofrem. De forma a mitigar esses efeitos está-se a produzir materiais “autolimpantes” que utilizam a tecnologia de nano-revestimento, esta é uma das técnicas promissoras que podem ser aplicadas na fachada do edifício para evitar sua deterioração, bem como para manter a atratividade e a estética do edifício, protegendo as superfícies contra possíveis danos causados pela penetração de água, musgo, algas e sujidade (Grebler et al. , 2010). Um dos materiais em que se tem apostado nos últimos anos para tratamento de autolimpeza é o dióxido de titânio (TiO2). Este elemento químico consegue acelerar a degradação de muitos contaminantes orgânicos, devido as suas propriedades fotocatalíticas. Devido à sua fotoestabilidade química, baixo custo e a sua não toxicidade, este material tem sido amplamente aplicado no setor industrial (Graziani et al. , 2014, Silva, 2013). O revestimento autolimpante pode ser dividido em duas categorias principais, que são revestimentos hidrofóbicos e hidrofílicos. Ambos os revestimentos são autolimpantes pela ação da água. O revestimento hidrofílico, que tem o ângulo de contato com a água inferior a 90º, fará com que a água que flui nele se Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 49 espalhe uniformemente por toda a superfície do revestimento e remova a sujidade e as impurezas presentes nele. Enquanto isso, a água que flui no revestimento hidrofóbico com ângulo de contato com a água de mais de 90º forma gotículas na superfície. As gotas deslizam sobre a superfície enquanto carregam os contaminantes com elas. Existem revestimentos hidrofílicos que utilizam óxidos de metal que possuem efeito antibacteriano e assim a sujidade é decomposta quimicamente com a exposição à radiação (Ganesh et al. , 2011). No que concerne aos vidros, as partículas de dióxido de titânio são incorporadas na superfície da lâmina de vidro usando um método de revestimento por imersão (Khairudin et al. , 2020), já nas tintas existem duas formas de autolimpeza a hidrofobicidade e hidrofilicidade já referidas (Silva, 2013).Por fim, nos tijolos existem duas maneiras principais de atribuir propriedades de autolimpeza, o primeiro é dar-lhes um caráter hidrofóbico para proteger a superfície de contaminações e a outra forma é dar-lhes propriedades fotocatalíticas, estas últimas permitem a decomposição dos contaminantes presentes na sua superfície (Janus e Zając, 2019). Nanotecnologia A nanotecnologia pode ser utilizada em materiais para isolamento térmico, em revestimentos como tintas e vidros com a função de autolimpeza, vestuário, revestimentos anti grafiti, anti mancha, anti gelo, anti embaciamento e antibacterianos, iluminação, sensores de temperatura, pressão e humidade, purificação do ar, em materiais estruturais como o aço, o betão, a madeira, vidros, polímeros e misturas betuminosas, melhorando a resistência, a flexibilidade, promovendo a redução do volume e peso, o aumento da durabilidade e a redução das perdas térmicas no caso do edifícios (Oliveira, 2012). Nos betões e argamassas as nanopartículas mais utilizadas são a Nano-𝑆𝑖𝑂2, a Nano-𝐹𝑒2𝑂3, a Nano-𝐴𝑙2𝑂3 e a Nano-𝑇𝑖𝑂2. No cimento os mais utilizados são os nanotubos de carbono e as nanofibras de polipropileno. O Nano-𝑇𝑖𝑂2 é utilizado para a autolimpeza, anti-embaciamento e efeito bactericida e para purificação do ar (Oliveira, 2012). Nos têxteis os nanomateriais são utilizados para desenvolver características têxteis desejadas, tais como a resistência à abrasão, durabilidade, repelência à água e óleo, retardância à chama, propriedades antimicrobiana, proteção UV, autolimpeza, entre outras. Os nanomateriais mais utilizados nos têxteis são a prata (Ag), o dióxido de silício (SiO2), dióxido de titânio (TiO2), óxido de zinco (ZnO), óxido de alumínio (Al2O3), quitosano, nanoargilas (principalmente montmorillonita), nanotubos de carbono e negro de carbono, dependendo da funcionalidade que se pretende conferir ao substrato têxtil (Rodrigues, 2017). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 50 Algumas das funções possíveis com a introdução de nanomateriais nos têxteis são a deteção de gases tóxicos como dióxido de nitrogênio (NO2), amônia (NH3), sulfato de hidrogênio e monóxido de carbono e monitorizar o corpo humano. Para detetar gases nocivos, os têxteis devem demonstrar alta condutividade e flexibilidade mecânica. Entre os vários materiais condutores, um grafeno estruturado em favo de mel é um nanomaterial de carbono bidimensional bem conhecido, adequado para a fabricação de sensores de gás com suas excelentes propriedades, como alta condutividade elétrica, resistência mecânica, estabilidade química, estabilidade térmica (Lee et al. , 2021). Os nanomateriais são usados em pavimentos para modificar as propriedades do betume. Estudos apontam que as características das nanopartículas, como a sua grande superfície específica, podem ter efeitos de escala no desenvolvimento das propriedades reológicas do betume e do pavimento betuminoso, funcionando também como modificadores para betume quando são adicionadas pequenas percentagens. Os nanomateriais podem aumentar a capacidade de carga do pavimento e diminuir fendas por fadiga durante a vida útil do pavimento (Caputo et al. , 2020). No entanto, os nanomateriais não servem só para modificar o betume, ou aumentar as propriedades caraterísticas dos pavimentos, permitem aos pavimentos terem aplicações multifuncionais, como remoção de neve e gelo, autodetecção da integridade do pavimento, autorregeneração (aquecimento por indução) e captação de energia (Wang et al. , 2016). Para se conseguir remover a neve e o gelo é necessário tornar o pavimento condutivo, pois através da introdução de corrente elétrica o pavimento aquece e derrete a neve. Esta característica permite que no inverno a neve e gelo sejam removidos sem a necessidade aplicação de produtos químicos ou a utilização de máquinas, o que implica uma grande quantidade de mão de obra, para além de os químicos criarem efeitos adversos na estrutura do pavimento, permite também fazer a monitorização integral da estrutura (Zhao et al. , 2011), pois quando houver alguma anormalidade a rede condutiva interna é alterada, o que afeta seu comportamento elétrico, como a resistividade elétrica, servindo isto como um alerta. No entanto, outros investigadores utilizam outras variáveis para terem dados mais concretos sobre o que está a afetar o sistema, como a reatância, impedância, capacitância e a resistência elétrica de superfície para caracterizar o comportamento de deteção (Han et al. , 2015). Várias investigações foram feitas e indicam que a utilização de nanomateriais dispersos na matriz do betão ou do betuminoso como, fibras de aço, aparas de aço, fibras de carbono, nanotubos de carbono e produtos de grafite e escória de aço de modo a formarem uma extensa rede condutiva melhora significativamente a condutividade elétrica (Han et al. , 2015, Wang et al. , 2016). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 51 Foi feito um estudo no mercado chinês que indica que o custo do betão condutivo com fibras de aço e produtos de grafite é cerca de 4-6 vezes maior do que o betão comum. Também concluíram que o betão com fibras de carbono tem melhor desempenho em relação à resistência à compressão e durabilidade do que o betão com fibras de aço e produtos de grafite, mas o custo é muito mais alto. Em comparação com o betão comum, a complexidade da construção do betão condutivo também resulta num custo mais elevado. Portanto, a seleção de métodos e tecnologias de degelo depende altamente dos fatores geográficos, económicos e ambientais de projetos práticos (Zhang et al. , 2009). Existem outros nanomateriais que podem ser adicionados aos pavimentos para melhorar as suas propriedades intrínsecas, alguns desses nanomateriais são a nano-sílica e nano-argila e a nano-cal hidratada. A caulinite tem sido usada para melhorar a estabilidade ao armazenamento de betumes modificados com polímeros. A adição de nano-argila aumenta a rigidez, a resistência à tração indireta, a estabilidade Marshall, mas diminuiu a resistência à fadiga a temperaturas baixas (Iskender, 2016). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 52 Na Tabela 1 apresentam-se alguns exemplos de aplicação de nanomateriais. Tabela 1 - Exemplos de aplicação de nanomateriais Material usado Objetivo do estudo Quantidades Autores Nanotubos nano-argila Aditivos de reforço para o betume Nanotubos - 0,5% nano-argilas 3% peso de betume (Santagata et al. , 2015) TiO2, oxido de zinco, Carbonato de cálcio, Grafite Avaliação dos danos por humidade em asfalto modificado com nanotubos de carbono - (Mamun e Arifuzzaman, 2018) Nanotubos Efeito do nanotubo de carbono no desempenho do betume 0,4%; 0,75%; 1,5%; 2,25% peso da mistura (Ashish e Singh, 2019) Fibras de carbono degelo do pavimento através de fibras de carbono até 3 % do volume da mistura (Sassani et al. , 2018) Nanotubos Melhorar a deformação permanente utilizando nanotubos 0,5%; 1%; 1,5%; 2% do peso de betume (Ismael et al. , 2021) Nanofibras de carbono Resistência elétrica do betão com nanofibras de carbono Até 2,5% do volume de aglutinante (Gao et al. , 2009) Carboxyl multi-wall Nanotubos de carbono Nanotubos de carbono para monotorização do tráfego - (Han et al. , 2009) Carboxyl multi-wall Nanotubos de carbono Introdução de NTC em pavimento de betão para deteção do tráfego 1% do peso de cimento (Han et al. , 2012) Fibras de carbono Grafite Comparação entre pasta de cimento e mástique asfáltico modificado com materiais com propriedades elétricas Fibras de carbono - até 2,5 % Grafite - 5% (Arabzadeh et al. , 2019) Fibras de carbono Grafite Mástique de asfalto eletricamente condutor Fibras de carbono - até 2,5 % Grafite - 5% (Arabzadeh et al. , 2018) Um dos problemas que existe aquando da produção de um pavimento condutor é heterogeneidade da mistura, sendo necessário o efeito de ponte para formar uma rede condutora (Figura 20). Figura 20 - Efeito ponte (Arabzadeh et. al , 2018) Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 53 3. MATERIAIS E METODOLOGIAS UTILIZADAS 3.1. INTRODUÇÃO Neste capítulo é explanada toda a campanha experimental, desde a caracterização dos materiais, ensaios realizados adjacentes à formulação das misturas. A primeira etapa deste trabalho laboratorial consistiu numa pesquisa na área de medição de condutividades, ensaios e metodologias utilizados, para além de se fazer uma pesquisa bibliográfica com ensaios desta natureza já realizados para se poderem adaptar ao tema de estudo, como a percentagem de materiais condutivos a adicionar às misturas betuminosas e técnicas de medição da resistividade/condutividade. A segunda fase constituiu na caracterização dos fíleres e agregados a utilizar. Para isso fez-se a análise granulométrica dos agregados e os alguns ensaios de caracterização dos fíleres, em particular, o azulde-metileno, a massa volúmica e os vazios de Rigden. A terceira fase consistiu na formulação de 11 mástiques diferenciados pela percentagem de material condutor que cada mástique contém, compreendendo também o estudo da sua condutibilidade e como esta era afetada pela temperatura e pela frequência. Estes mástiques foram produzidos com a razão ligantefíler de 1:1 em peso. De seguida compararam-se os mástiques com uma mistura convencional AC14 e outra de ASIC com material fresado. Depois elaboram-se duas novas misturas, iguais as primeiras, mas em que em 10% dos finos foram substituídos por grafite. Por fim foi analisado, com a câmara termográfica, se o material aquecia quando sujeito a uma determinada corrente elétrica. 3.2. MATERIAIS UTILIZADOS Os materiais utilizados foram o pó de grafite Cond PG1600 da empresa ProGraphite GmbH, o pó de ASIC foi fornecido pela empresa DST Group, assim como os agregados graníticos, os de ASIC e o fíler comercial calcário. Todos os materiais fornecidos pela empresa DST Group foram fornecidos no âmbito do projeto de copromoção RENEW em curso, com a participação de ambas as instituições. O betume utilizado foi o betume 35/50 da Galp Energia fornecido também pela empresa DST Group, com as especificações apresentadas na Tabela 2. Este betume foi selecionado por se tratar do betume convencional mais utilizado em Portugal. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 54 Tabela 2 - Especificações técnicas do betume 35/50 Características Método de ensaio Unidades Classe 35/50 Penetração a 25º C Temperatura de amolecimento Temperatura de inflamação Solubilidade Índice de penetração Temperatura de fragilidade de Fraass Viscosidade cinemática a 135 º C Teor em parafinas EN 1426 EN 1427 EN ISSO 2592 EN12592 EN 12591Anexo A EN 12593 EN 12595 EN 12606-2 0,1 mm ºC ºC % - ºC mm2/s % 35-50 50-58 ≥ 240 ≥ 99,0 -1,5 a +0,7 ≤ -5 ≥ 370 ≤ 4,5 3.3. CARACTERIZAÇÃO DOS FÍLERES 3.3.1. Análise Granulométrica A análise granulométrica consiste na peneiração da amostra do material seco por uma coluna de peneiros dispostos de cima para baixo com a abertura da malha por ordem decrescente (Figura 21a). Com este ensaio consegue-se saber qual a massa do material que fica retido em cada peneiro e com isso calcular a sua percentagem em relação à massa total da amostra (Figura 21b). Depois com a massa retida em cada peneiro é possível criar a curva granulometria (Figura 22) Este ensaio foi realizado conforme a norma NP-EN 933-1 de 2014, os materiais ensaiados foram os fíleres, pó de ASIC e pó de grafite. A amostra utilizada tinha uma massa de 200 g e utilizaram-se peneiros com uma abertura inferior à do peneiro 4 mm. a) b) Figura 21 - Análise granulométrica: a) coluna de peneiros b) granulometria do pó Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 55 Figura 22 - Curva granulométrica dos fíleres utilizados 3.3.2. Determinação da superfície específica (Método Blaine) A determinação da superfície especifica do fíler foi realizada segundo a norma NP EN 196-6:2010. Esta é uma característica importante, pois quanto maior for o seu valor maior é a quantidade de betume adsorvida. Começou-se por colocar a amostra dentro da célula (Figura 23c) de modo que se conseguisse criar uma massa de material compactado (Figura 23d). De seguida lubrificou-se a abertura do manómetro para se garantir uma junta estanque, colocou-se a célula com o bujão, abriu-se a torneira e elevou-se o líquido manométrico a marca superior, a seguir fechou-se a torneira e esperou-se que o líquido estabilizasse, retirou-se o bujão da célula (Figura 23b) e o liquido começou a descer, quando este passou pela segunda marca pôs-se o cronometro a contar e só se parou o cronometro quando o liquido manométrico chegou a terceira marca. No final do ensaio registou-se a temperatura a que o ensaio foi realizado, a massa colocada na célula e o tempo que o líquido demorou a percorrer a distância entre as duas marcas. a) b) c) d) Figura 23 - Ensaio de Blaine: a) equipamento utilizado para o ensaio, b) colocação da célula e do bujão no equipamento, c) célula e bujão, d) massa de material compactado 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,01 0,1 110 100 Material passado (%) Abertura dos peneiros (mm) Grafite Pó de ASIC Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 56 3.3.3. Determinação da massa volúmica dos fíleres pelo método do picnómetro A determinação da massa volúmica dos fíleres foi definida pela norma NP EN 1097-7:2008, tendo para o devido efeito sido utilizado um picnómetro submetido a vácuo. Para a realização deste ensaio, primeiramente procedeu-se à pesagem da massa do picnómetro vazio e depois colocou-se a amostra de fíler no picnómetro que consta na norma e registou-se a massa do picnómetro com a amostra (Figura 24a). O segundo passo consistiu em adicionar água destilada a 25 °C ao picnómetro, até esta cobrir a amostra e colocou-se o picnómetro em vácuo durante 30 minutos (Figura 24b). Repetiu-se o processo para os três picnómetros. Findado esse período os picnómetros são colocados em banho-maria a 25 °C durante 1 hora (Figura 24c). Por fim encheu-se o picnómetro até a marca da sua capacidade, secou-se o picnómetro e registou-se a massa do picnómetro com a amostra e a água. a) b) c) Figura 24 - Equipamentos utilizados para a determinação da massa volúmica: a) Pesagem da amostra, b) equipamento de vácuo, c) banho maria A massa volúmica é calculada através de 4 variáveis, são elas a massa do picnómetro vazio, a massa do picnómetro com a amostra, a massa do picnómetro com amostra e cheio de água e a massa do picnómetro cheio só com água. 3.3.4. Determinação da massa volúmica do fíler pelo método Le Châtelier Este ensaio foi realizado de acordo com a norma LNEC E-64-1979 e consiste em fazer a gasolina subir até um determinado nível. Para realizar este ensaio inicialmente colocou-se gasolina no balão até um nível compreendido entre as graduações 0 e 1 e arrolhou-se, de seguida colocou-se o recipiente em água a 20ºC e aguardou-se que a temperatura estabilizasse (Figura 25a). Após estabilizada a temperatura retira-se o balão e mede-se o Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 57 volume inicial, por fim deita-se a amostra de fíler através de um funil, com cuidado para não ficar depositado nas paredes do balão e para evitar a formação de bolhas de ar, até a gasolina subir e ficar situada na escala dos 18 aos 24 ml (Figura 25b). No final volta-se a arrolhar e a colocar o balão em água para a temperatura estabilizar novamente e mede-se o volume final (Figura 25c). Sabendo a massa introduzida no balão e o volume inicial e final calcula-se a densidade. a) b) c) Figura 25 - Ensaio de Le Châtelier: a) Gasolina em repouso após se ter enchido até a marca 1, b) execução do ensaio, até a gasolina subir aos valores adquados c) medição do volume final após repouso da gasolina 3.3.5. Determinação dos vazios do fíler seco compactado (Ensaio de Rigden) A determinação dos vazios do fíler através do ensaio de Rigden foi regido pela norma NP EN 10974:2012. Este ensaio é útil pois o comportamento do mástique é influenciado pelo volume de vazios, pois o betume tende a preencher estes vazios. Inicialmente começou-se por colocar o papel de filtro e o mergulhador no cilindro vazio (Figura 26a) e mediu-se e a altura inicial (𝐻0) do conjunto com um paquímetro, de seguida pesou-se o cilindro com o papel de filtro e registou-se a massa inicial (𝑚0). O passo seguinte consiste em colocar 10 g do fíler no cilindro. Se o fíler for pouco denso e não permitir colocar as 10 g, realiza-se o ensaio com o cilindro cheio de fíler, coloca-se o papel de filtro por cima da amostra e introduz-se o mergulhador fazendo uma ligeira pressão para este entrar em contacto com o fíler. Por fim coloca-se o conjunto móvel nas colunas guias, eleva-se o conjunto até ao batente superior e depois deixa-se cair em queda livre até a base, o ensaio fica concluído ao fim de 100 elevações (Figura 26b). No fim das 100 repetições mede-se a altura do mergulhador com o paquímetro em 4 posições e faz-se a média, tendo assim a altura final (𝐻𝑓). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 64 executou-se uma mistura betuminosa convencional (AC14), e uma mistura betuminosa denominada de ASIC onde se fez uma substituição de uma percentagem de agregados graníticos por ASIC e material fresado (MF), esta mistura contém 19% de MF, 62,5% de ASIC e 14,5% de agregados convencionais, estas percentagens referem-se ao volume total da mistura. De seguida produziram-se mais duas misturas idênticas às já mencionadas, onde 10% dos finos (passados no peneiro de 0,063 mm) foram substituídos por grafite, pois como se apresenta no Capítulo 4, o mástique contendo 10% de grafite foi o que apresentou uma resistividade inferior. Para se determinar a percentagem de cada fração a incorporar na mistura, primeiro começou-se por proceder a análise granulométrica do material, tal como no fíler este ensaio foi realizado conforme a norma NP-EN 933-1: 2014. Para se ter uma amostra representativa do agregado a utilizar é necessário fazer o esquartelamento da amostra (Figura 34) até se obter a massa desejada. O esquartelamento consiste na colocação do material em forma circular e da divisão em 4 frações idênticas, com a separação entre as frações bem nítida, após esta divisão existem 2 frações que são descartadas (fração B) e as restantes são juntas novamente (fração A), repete-se o processo até se obter a massa de amostra desejada, esta massa varia consoante a dimensão máxima do agregado. Figura 34 - Esquema do esquartelamento da amostra Depois de concluída a granulometria dos materiais utilizou-se o fuso granulométrico que aparece na (Figura 35) para se definir a curva granulométrica das misturas, de modo que esta se situe entre o fuso mínimo e o fuso máximo. O fuso utilizado como referência foi o fuso granulométrico da mistura AC 14 surf (BB). Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 65 Figura 35 - Fuso de referência utilizado 3.7.1. Preparação das misturas Para a execução das misturas (Figura 36), primeiramente colocaram-se os agregados da mistura, a panela e a hélice da panela na estufa a temperatura de 190°C para os agregados secarem, o betume foi aquecido a 160ºC, a grafite e o material fresado foram adicionados a mistura à temperatura ambiente. Em seguida, já com os agregados secos e quentes fez-se a pesagem de cada fração dos agregados e colocaram-se na panela misturadora, colocando os agregados de dimensão maior no fundo e os de dimensão menor no cimo. Estes materiais foram misturados durante um minuto para fazer a homogeneização dos agregados, após os agregados estarem bem envolvidos adiciona-se o betume e mistura-se até que os agregados fiquem completamente envolvidos nele. Figura 36 - Preparação da mistura Após o fabrico da mistura é necessário proceder a compactação da laje, para isso colocou-se a mistura no molde de forma homogénea, findado este passo procedeu-se a colocação do molde no Roller Compactor (Figura 37) e procedeu-se a sua compactação. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 66 Figura 37 - Roller Compactor Findada a compactação é necessário descofrar o molde e deixar a laje (Figura 38) arrefecer a temperatura ambiente para depois ser cortada, conseguindo-se assim obter 4 vigas por laje. Figura 38 - Lajes da mistura de ASIC e AC14 com grafite Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 67 4. ANÁLISE DE RESULTADOS Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos em cada um dos métodos utilizados no presente estudo, bem como a sua análise detalhada. 4.1. RESULTADOS DO ENSAIOS DO BETUME A Tabela 4 inclui os resultados do ensaio de penetração e temperatura de amolecimento. Da observação dos resultados pode-se concluir que os valores de ambos os ensaios estão dentro dos parâmetros expectáveis, de acordo com a ficha técnica do betume apresentada no Capítulo 3.2, pois no ensaio de penetração, os valores deviam situar-se no intervalo de 35 a 50 décimas de milímetro. Por sua vez, a temperatura de amolecimento, devia variar entre 50 e 58ºC, para além de não se verificar mais de 1ºC de diferença entre a temperatura de amolecimento das duas amostras, o que torna o ensaio válido. Tabela 4 - Resultados do ensaio de penetração e temperatura de amolecimento Penetração (décimas de milímetro) Temperatura de amolecimento (ºC) Amostra A Amostra B Amostra A Amostra B 37,5 36,4 35,6 36,9 36,3 37,9 51,1 50,8 Média 36,8 51 Relativamente ao ensaio de viscosidade dinâmica, os resultados obtidos (Figura 39) confirmam a tendência normal de redução de viscosidade com o aumento de temperatura e permitem determinar a temperatura ideal de mistura para o betume em estudo (correspondente a uma viscosidade de 200 cP). Para o betume usado neste trabalho, a temperatura deverá rondar os 160 °C. Figura 39 - Variação da viscosidade do betume com a temperatura 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 90 110 130 150 170 190 210 Viscosidade Dinâmica (cP) Temperatura (ºC) Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 68 4.2. RESULTADOS DAS PROPRIEDADES FISICAS DOS FÍLERES A Tabela 5 apresenta os resultados dos ensaios de massa volúmica através do método do picnómetro, massa volúmica com o balão de Le Chatelier, volume de vazios com ensaio de Rigden, superfície especifica através do ensaio de Blaine e valor de Azul-de-metileno para a grafite. Tabela 5 - Ensaios da Grafite Massa Volúmica Picnómetro (Mg/m3) Massa Volúmica Le Chatelier (Mg/m3) Volume vazios Rigden (%) Superfície especifica (cm2/g) Azul-de-metileno (g/kg) 2,31 2,32 2,34 2,81 2,78 62,2 63,5 3935 4338 4546 4,5 Com estes ensaios pode-se concluir que a grafite tem uma massa volúmica média pelo método do picnómetro de 2,32 Mg/m3 e de 2,80 Mg/m3 pelo balão de Le Chatelier, um volume de vazios médio de 62,9%, uma superfície especifica média de 4273 cm2/g e um valor de azul-de-metileno de 4,5 g/kg. A Tabela 6 apresenta os resultados dos ensaios de massa volúmica através do método do picnómetro, massa volúmica com o balão de Le Chatelier, volume de vazios com ensaio de Rigden, superfície especifica através do ensaio de Blaine e valor de Azul-de-metileno para o Pó de ASIC. Tabela 6 - Ensaios do pó de ASIC Massa Volúmica Picnómetro (Mg/m3) Massa Volúmica Le Chatelier (Mg/m3) Volume vazios Rigden (%) Superfície especifica (cm2/g) Azul-de-metileno (g/kg) 3,75 3,80 3,65 3,96 3,84 37,1 37,6 7185 6924 6242 15,67 Pode-se concluir que o pó de ASIC tem uma massa volúmica média pelo método do picnómetro de 3,73 Mg/m3 e de 3,9 Mg/m3 pelo balão de Le Chatelier, um volume de vazios médio de 37,4% e uma superfície especifica média de 6784 cm2/g. Para o ensaio azul-de-metileno e segundo o caderno de encargos, o pó de ASIC não cumpre os requisitos, pois este valor devia ser inferior a 10. A Tabela 7 apresenta os resultados dos ensaios de massa volúmica através do método do picnómetro, massa volúmica com o balão de Le Chatelier, volume de vazios com ensaio de Rigden, superfície especifica através do ensaio de Blaine e valor de Azul-de-metileno, mas desta vez para o fíler comercial. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 69 Tabela 7 - Ensaios do Filer Comercial Massa Volúmica Picnómetro (Mg/m3) Massa Volúmica Le Chatelier (Mg/m3) Volume vazios Rigden (%) Superfície especifica (cm2/g) Azul-de-metileno (g/kg) 2,70 2,84 2,75 2,72 2,76 36,3 35,1 6902 7005 7500 9,5 Seguindo o raciocínio anterior conclui-se que o fíler comercial tem uma massa volúmica média pelo método do picnómetro de 2,76 Mg/m3 e de 2,74 Mg/m3 pelo balão de Le Chatelier, um volume de vazios médio de 35,7% e uma superfície especifica média de 7136 cm2/g. 4.3. ANÁLISE GRANULOMÉTRICA Analisando as curvas granulométricas dos diversos materiais e juntando tudo numa só curva, de modo a cumprir o fuso granulométrico, determinaram-se as percentagens de cada fração que constam da Tabela 8. Tabela 8 - Composição das misturas betuminosas produzidas Agregado AC 14 AC 14 com grafite ASIC ASIC com grafite ASIC 12/16 ASIC 5/12 ASIC 0/5 Pó 0/4 Granito 10/14 Granito 10/14 Granito 4/10 Mat. Fresado Fíler comercial Grafite - - - 31,2 7,1 19 37 - 5,8 - - - - 31,2 7,1 19 37 - 5 -0,8 23,10 25 14,5 14,5 - - - 18,9 4 - 23,10 25 14,5 14,5 - - - 18,9 3,4 -0,6 4.4. COMPORTAMENTO ELÉTRICO DAS MISTURAS DESENVOLVIDAS Nesta secção vai-se a analisar os dados obtidos a partir das medições das resistividades dos mástiques. O primeiro passo para se fazer a análise dos resultados foi fazer a homogeneização dos resultados, embora os provetes dos mástiques fossem todos do mesmo tamanho e converter a resistência em Ω (Ohms) em resistência em Ω x cm (Ohms x cm), para isso utilizou-se a seguinte fórmula (Arabzadeh et al. , 2019): Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 70 𝜌 = 𝑅 × 𝑆 𝐿 (1) Em que  é a resistividade elétrica volumétrica (Ω×cm), R é a resistência elétrica (em Ω), S é a área da secção de contacto com os elétrodos (em cm2) e L a distância entre os elétrodos (em cm). A análise das resistências foi realizada no domínio das frequências, o domínio das frequências consiste na análise de uma função ou um sinal em relação à frequência, este foi o método utilizado pois definiuse uma frequência mínima e uma máxima e os dados foram analisados nesse intervalo. 4.4.1. Influência dos constituintes dos mástiques desenvolvidos em corrente alternada Grafite Na Figura 40 pode observar-se que para frequências abaixo de 55000 Hz, 5% de grafite consegue ter melhor melhores resultados em termos de resistência a passagem da corrente do que o fíler comercial. No entanto, dessa frequência até a frequência de 1 MHz, 5% de grafite e o fíler comercial tem comportamento similar à passagem da corrente. Por este gráfico podemos concluir que a adição de grafite consegue diminuir a resistividade do material, no entanto só a partir de 5% essa adição tem efeito, respetivamente, na escala de frequência onde se fez o estudo. Figura 40 - Comportamento da grafite Na Figura 41 pode-se observar em qual dos mástiques produzidos a grafite tem mais influência para duas frequências distintas, nomeadamente, 1kHz e 1 MHz. 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 0 200 000 400 000 600 000 800 000 1 000 000 1 200 000 Resistividade (Ohms x cm) Frequência (Hz) 0% grafite 5% grafite 10% grafite Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 71 Figura 41 - Influência da grafite nos restantes mástiques Conclui-se que a grafite junto com as fibras (5% grafite + fibras) afeta positivamente o mástique (0% grafite + fibras), pois verifica-se uma diminuição de uma ordem de grandeza de 7,57 ×107 Ω x cm para 9,92 ×106 Ω x cm, na frequência de 1 kHz. Quando se junta grafite ao fíler comercial (calcário), mástique denominado de 0% grafite, também se faz notar o seu efeito positivo, já o mesmo não se verifica quando se junta grafite ao ASIC pois a resistividade aumenta ligeiramente. A presença ou ausência de grafite é mais denotada na frequência mais baixas, nomeadamente, a de 1 kHz. ASIC Na Figura 42 verifica-se que a introdução de ASIC em pó conduz a uma condutibilidade mais reduzida do que os mástiques exclusivamente com fíler comercial, pois para o varrimento de frequências utilizadas durante os ensaios, as curvas de ASIC encontram-se sempre acima da curva do fíler. Adicionalmente, pode concluir-se que a introdução de percentagens mais elevadas de ASIC, i.e. 10%, conduz a condutibilidades mais reduzidas quando comparadas com percentagens mais reduzidas, ou mesmo com as curvas de referência sem a utilização de ASIC, i.e. 100% fíler comercial. Visto que o ASIC é um remanescente da indústria da siderurgia, contendo partículas de minério de ferro era de esperar um efeito de redução na resistividade. Uma outra conclusão que se retira é que a resistividade dos mástiques que contêm 5% e 10% de ASIC é muito próxima o que leva a querer que a condutividade do ASIC não se altere muito independentemente da percentagem que for incorporada. 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 Resistividade (Ohms x cm) 1 KHz 1 MHz Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 72 Figura 42 - Efeito da adição de ASIC Na Figura 43 pode observar-se a influência do ASIC nos restantes mástiques. Figura 43 - Influência do ASIC nos restantes mástiques O único mástique estudado e ensaiado onde o ASIC afeta positivamente o seu desempenho no que concerne ao melhoramento da capacidade condutiva do material é quando se adiciona 5% de ASIC ao mástique que contém 5% de grafite e fibras pois comparando os valores da resistividade (Ω x cm), esta reduz cerca de uma ordem de grandeza, nas duas frequências analisadas. Já nos mástiques correspondendo às séries 0% ASIC, 5% de ASIC e 10% de ASIC, era de esperar que com a maior percentagem de ASIC, o mástique tivesse melhor comportamento a passagem da corrente, o que não se verificou e isto deve-se a uma maior resistência do ASIC à passagem da corrente, o que significa que o fíler comercial (calcário), mencionado como 0% ASIC tem melhor condutividade do que o ASIC, pois 5% de ASIC faz disparar a resistividade (Ω x cm) em duas grandezas. 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 0200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 Resistividade (Ohms x cm) Frequência (Hz) 0% ASIC 5% ASIC 10% ASIC 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 Resistividade (Ohms x cm) 1 KHz 1 MHz Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 73 Efeito conjunto da grafite e do ASIC Na Figura 44 apresenta-se o comportamento que o material tem quando se adiciona 5% de grafite ao ASIC. Desta análise pode-se concluir que durante grande parte das frequências analisadas o seu comportamento é muito semelhante, no entanto consegue-se perceber que até perto dos 600 KHz a adição dos dois materiais tem melhor comportamento e que acima de 600 kHz o mástique que contém apenas 5% de ASIC apresenta melhores resultados. Figura 44 - Influência da adição de 5% de grafite ao ASIC Na Figura 45 é analisada a influência da adição de grafite ao ASIC, mas desta vez numa percentagem superior à anterior (10%). Pode-se constatar que esta adição faz cair bruscamente o valor da resistividade (Ω x cm) do material ao longo da gama de frequências estudadas (essa queda ronda as duas ordens de grandeza). Figura 45 - Influência da adição de 10 % de grafite ao ASIC 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 0200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 Resistividade (Ohms x cm) Fequência (Hz) 5% ASIC 5% grafite+5% ASIC 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 0200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 Resistividade (Ohms x cm) Frequência (Hz) 10 % ASIC 10% ASIC + 10% Grafite Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 80 Figura 56 - Influência da adição de ASIC à grafite Da análise das 3 series em que se adiciona em igual percentagem de grafite e ASIC em 0%, 5% e 10% (Figura 57) consegue-se verificar que estas adições agravam a resistividade elétrica do filer, denominado por 0% de ASIC+0% grafite. Para voltagens entre os 10 e 30 volts o mastique contendo 10% de grafite e 10% de ASIC apresenta menor resistividade que o mastique contendo só filer, mas depois dos 30 volts até aos 64,4 volts é o filer comercial que apresenta menor resistividade, ou seja, é o que cria menor oposição a passagem da corrente elétrica. Figura 57 - Influência da adição de ASIC e grafite na mesma quantidade em corrente continua Ao avaliar o efeito da adição conjunta de grafite e pó de ASIC às fibras metálicas (Figura 58), verifica-se que, dos 10 aos 50 volts, o mástique que inclui as percentagem de 0% e 5 % de ASIC e grafite apresentam um comportamento paralelo. Ambas as misturas que contem ASIC e grafite tem uma menor resistividade ao logo de todas as voltagens medidas em relação ao mastique contendo apenas fíler, conclui-se também que o mástique que contem 2,5 % de ASIC e grafite apresenta uma diminuição da resistividade quase sempre de duas ordens de grandeza em relação ao mástique que contém 5% de ASIC e 5% de grafite. 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 010 20 30 40 50 60 64,4 Resistividade (Ohms x cm) Volts 0% grafite + 0% ASIC 5% grafite+5% ASIC 10% grafite+10% ASIC 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 010 20 30 40 50 60 64,4 Resistividade (Ohms x cm) Volts 10 % grafite 10% grafite+10% ASIC 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 010 20 30 40 50 60 64,4 Resistividade (Ohms x cm) Volts 5% grafite 5% grafite+5% ASIC Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 81 Figura 58 - Efeito conjunto da grafite e do ASIC na presença de fibras Inclusão de fibras metálicas discretas Na Figura 59 pode observar-se como as fibras afetam a condutibilidade da grafite, do ASIC e do fíler. A presença de fibras no mástique que contem 5% de grafite e no fíler afeta o seu comportamento negativamente pois a resistividade aumenta, já no mástique contendo ASIC e grafite a presença das fibras é positiva pois reduz a resistividade em quase duas ordens de grandeza, tanto para os 10 volts como para os 60 volts. Aqui novamente verificamos que o aumento, ou diminuição da resistividade não é muito afetada pela voltagem utilizada, pois quer para os 10 quer para os 60 volts esse aumento é similar. Figura 59 - Efeitos na resistividade com a introdução de fibras para corrente continua 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 010 20 30 40 50 60 64,4 Resistividade (Ohms x cm) Volts 0% grafite+0%Asic+ fibras 2,5% grafite+2,5%Asic+ fibras 5% grafite+5%Asic+ fibras 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 filer Filer +fibras 5% grafite 5% grafite+Fibras 5% grafite+5% ASIC 5% grafite+5%Asic+ fibras Resistividade (Ohms x cm) 10 Volts 60 Volts Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 82 4.4.3. Influência do tipo de corrente Analisando as secções 4.4.1 e 4.4.2 é possível retirar algumas conclusões, tais como se o material apresenta menor resistividade em corrente alternada ou continua e quais as principais diferenças no comportamento do material estando sujeito a corrente continua ou alternada. Grafite Da análise dos gráficos Figura 40 e Figura 51 onde consta a comparação de mástiques contendo apenas grafite e em diferentes percentagens, uma diferença que salta à vista é que 5% de grafite tem pior comportamento quando submetida a corrente continua. Outra diferença observada quando se compara mástiques sem grafite e mástiques aos quais foi adicionada grafite, foi a de que quando se adiciona 5% de grafite ao fíler em corrente continua, esta aumenta a resistividade do fíler enquanto na corrente alternada a presença de grafite diminuía resistividade do fíler. ASIC Analisando os gráficos Figura 42 e Figura 53 conclui-se que a corrente aplicada aos mástiques contendo 0%, 5% e 10% de ASIC sendo alternada ou continua não influencia as suas resistividades pois o mástique com 10% de ASIC continua a ter a maior resistividade, seguido do de 5% ASIC e por fim o de 0% ASIC. Quanto a sua influência nos restantes mástiques, continua a ser negativa quando se adiciona ASIC ao fíler e positiva quando se adiciona ASIC ao mástique contendo 5% de grafite e fibras. Com estas análises reforça-se a ideia de que o tipo de corrente não influência a resistividade dos mástiques com ASIC. Efeito conjunto da grafite e do ASIC Quando se adiciona 10% de grafite ao ASIC este mantém com resistividade superior os 10% ASIC em ambas as correntes (Figura 45 e Figura 55). Quando se se adiciona 5% de ASIC a 5% de grafite (Figura 46 e Figura 56) este mantém o comportamento nos dois tipos de corrente, mantendo os 5% de ASIC + 5% de grafite com a resistividade mais elevada, mas quando se analisa a adição de 10% de ASIC a 10% de grafite (Figura 47 e Figura 56) as resistividades já se alteram, embora seja apenas para as voltagens mais baixas, enquanto na corrente alternada o mástique que contém 10% de ASIC e igual quantidade de grafite apresenta resistividades mais elevadas durante toda a análise das frequência de estudo, na corrente continua entre os 10 e 20 volts tem menor resistividade do que o mástique contendo apenas 10% de grafite, depois dos 20 volts até aos 64,4 volts volta a ter o comportamento equivalente ao da corrente alternada. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 83 Com base nos gráficos das Figura 48 e Figura 57 pode analisar-se a influência de adicionar grafite e ASIC nas mesmas quantidades em percentagens de 0%, 5% e 10%. Novamente, como referido no paragrafo anterior a única diferença que existe é que na corrente continua dos 10 aos 30 volts o mástique com 10% de grafite e 10% de ASIC tem menor resistividade do que o mástique que contém 0% de ambos os materiais, a partir dos 30 volts o comportamento passa a ser igual ao da corrente alternada em que o mastique que inclui 5% de cada material tem a resistividade mais elevada, seguido do que contem 10% de cada material e por fim o que apresenta melhor condutividade é o que é composto apenas por fíler, contendo 0% de grafite e ASIC. Por fim será analisado o comportamento dos mástiques contendo 2,5% e 5% de grafite e ASIC com igual percentagem de cada material, mas contendo também fibras (Figura 49 e Figura 58). A única diferença que se encontra é que na corrente alternada o mástique contendo 2,5% de grafite e de ASIC e fibras tinham resistividade superior ao mástique contendo 5% de ASIC +5% de grafite+ fibras e na corrente continua esta ordem inverte-se, continuando o material contendo apenas a fibras com resistividade superior em ambos os tipos de corrente. Inclusão de fibras metálicas discretas Neste tópico será analisado o comportamento das fibras consoante o tipo de corrente aplicada. Tal como acontece no caso do ASIC conclui-se que o tipo de corrente, alternada ou continua não influência o comportamento dos mástiques com fibras, pois analisando os gráficos (Figura 50 e Figura 59) concluise que as fibras continuam a ter influência positiva quando se adiciona fibras ao mástique contendo 5% de ASIC e 5% de grafite e negativa nos restantes independentemente do tipo de corrente analisada. 4.4.4. Influência da frequência Na Figura 60 onde são analisados os extremos do varrimento de frequências utilizado pode-se concluir que a condutibilidade aumenta com o aumento da frequência, pois para frequências mais altas a resistividade (Ω x cm) diminui, o que significa que a corrente consegue passar melhor. Outra conclusão retirada da análise do gráfico é que nos mástiques que contêm ASIC, fibras, ou os dois em conjunto, essa diminuição da resistência consegue ser cerca de duas ordens de grandeza abaixo, já quando o mástique é só constituído por grafite essa diminuição já é na mesma ordem de grandeza. Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 84 Figura 60 - Influência da frequência nos mástiques produzidos 4.4.5. Influência da voltagem A influência da voltagem (Figura 61) foi efetuada para 10v, 20v, 30v, 40v, 50v, 60v e 64,4v e ao longo de todas as medições verificou-se que os materiais utilizados tendiam a diminuir a sua resistividade com o aumento da voltagem, com exceção do mástique com 10% de ASIC+10% de grafite, que sofre ligeiras flutuações. Na figura seguinte, para as voltagens de 10 e 60 volts, observa-se que o mástique contendo 2,5% de grafite + 2,5% ASIC + fibras é o que verifica maior redução, os restantes diminuem todos em percentagens muito semelhantes, excetuando o mástique contendo 10% de ASIC + 10% de grafite que sofre um ligeiro aumento na sua resistividade, passando de 1,22 ×105 para 1,63 ×105 Ω x cm. Figura 61Influência da voltagem na resistividade 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 Resistividade (Ohms x cm) 1 KHz 1 MHz 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 Resistividade (Ohms x cm) 10 Volts 60 Volts Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 85 Na Figura 62 pode-se comprovar as ligeiras flutuações na resistividade do mástique com 10% grafite + 10% ASIC com o aumento da voltagem. Figura 62 - Influência da voltagem no mástique contendo 10% grafite+10% ASIC 4.4.6. Influência da temperatura do provete Nesta secção serão analisados os efeitos da temperatura na condutividade (Figura 63). Para isso é feita a comparação entre as temperaturas de 5ºC e de 20ªC. Da análise exaustiva dos dados observou-se que todas as resistividades (Ω x cm) descem com o aumento da temperatura exceto no mástique com 5% de grafite + 5% de ASIC para a frequência de 1KHz. Este comportamento de aumento ou diminuição da resistividade com a variação da temperatura tem a ver com a movimentação dos eletrões e se o material é condutor ou isolante. Figura 63 - Influência da temperatura para a frequência de 1 KHz 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 10 20 30 40 50 60 64,4 Resistividade (Ohms x cm) Volts 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 1,00E+10 Resistividade (Ohms x cm) 25 ºC 5ºC Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 86 Analisando a Figura 64 para a frequência de 1MHz verifica-se que todas as variáveis em estudo diminuem a resistividade com o aumento da temperatura, com exceção do mástique com 10% de ASIC (que aumenta ligeiramente) e o do fíler + fibras (que tem uma ligeira diminuição). Figura 64 - Influência da temperatura para a frequência de 1 MHz Na Figura 65 apresentam-se os resultados obtidos para os mástiques contendo fibras, 10% de ASIC e 5% de grafite em função da temperatura e da frequência. Figura 65 - Comportamento dos mástiques perante diferentes temperaturas 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 Resistividade (Ohms x cm) 25ºC 5ºC 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 0500000 1000000 1500000 Resistividade (Ohms x cm) Frequência (Hz) filer+ fibras 20ºC Filer +fibras 5ºC 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 0500000 1000000 1500000 Resistividade (Ohms x cm) Frequência (Hz) 10% ASIC 20ºC 10 % ASIC 5ºC 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 0500000 1000000 1500000 Resistividade (Ohms x cm) Frequência (Hz) 5% grafite+5%Asic 20ºC 5% grafite+5% ASIC 5ºC Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 87 4.4.7. Análise da temperatura do provete quando sujeito a passagem de corrente Quando se fez passar uma corrente com uma diferença de potencial de 30 volts durante 5 minutos não se notou deformações em nenhum dos provetes, e só o mástique contendo 10% de ASIC aumentou a sua temperatura, cuja medição foi realizada com uma câmara termográfica (Figura 66). Figura 66 - Verificação do aquecimento dos provetes Nas imagens da Figura 67 pode-se verificar que o mástique que contem 10% de ASIC aumentou em 1ºC a sua temperatura quando se fez passar 30 volts durante 5 minutos. a) b) Figura 67 - Aquecimento registado no mástique que contém 10% de ASIC: a) t= 0 min; b) t=5 min 4.4.8. Análise comparativa da resistividade dos mástiques e de misturas betuminosas Neste subcapítulo serão comparadas as resistividades dos mástiques com a mistura betuminosa de referência AC14 e com a mistura betuminosas com agregados de ASIC e posteriormente serão comparadas estas duas misturas com uma mistura AC14 e de ASIC em que se substituiu 10% do material fino por grafite. Esta opção de escolha de substituir 10% do material fino por grafite foi tida em conta depois da análise dos resultados dos mástiques e de se concluir que esta opção é a que traz resultados mais promissores. No entanto, esta vai ser confirmada ou refutada mais adiante. De seguida são Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 88 mostrados alguns gráficos onde se consegue ver que alguns mástiques desenvolvidos têm comportamentos idênticos às duas misturas betuminosas analisadas. Comparação dos mástiques com as misturas de referência Os gráficos abaixo mostram a comparação entre os mástiques e as misturas de referência para a corrente alternada. No que concerne a mistura de ASIC (Figura 68), os mástiques estudados 5% de grafite + fibras, fíler + fibras e 2,5% grafite + 2,5 % ASIC + fibras têm um comportamento bastante idêntico ao dessa mistura, sendo que o mástique produzido apenas com fíler + fibras se começa afastar das curvas de referência a partir dos 400 kHz, acabando por ter uma resistividade superior. Figura 68 - Mástiques com comportamento idêntico à mistura de referência ASIC Já na mistura AC14 (Figura 69) os que tem o comportamento idêntico são o mástique que inclui 5% de ASIC e o mástique que contem a mesma percentagem de grafite e ASIC (5%). Se o mástique que contém 5% de ASIC para frequência mais baixas tem um comportamento similar ao da mistura AC14, a partir dos 600 kHz essa semelhança deixa de ser tão percetível, o mástique começa afastar-se da curva de referência acabando depois por ter uma resistividade inferior dos 600 kHz até ao 1 MHz. Já o mastique com 5% de grafite e 5% de ASIC passa a ter um comportamento mais próximo para frequências a partir de 400 kHz. 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 0200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 Resistividade (Ohms x cm) Frequência (Hz) 5% grafite+fibras filer+ fibras 2,5% grafite+2,5%Asic+ fibras Asic unif Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 89 Figura 69 - Mástiques com comportamento idêntico à mistura referência AC14 Comparação entre as misturas de referência De seguida são comparadas as misturas AC14 e ASIC para corrente alternada e corrente continua. Na corrente alternada (Figura 70) é bastante percetível que ao longo das frequências utilizadas durante o ensaio (1kHz até 1MHz) a mistura de ASIC apresenta menor resistividade (Ω x cm), ou seja, é mais fácil a corrente atravessar o material. No entanto, para frequências mais baixas, perto do 1kHz o comportamento das duas misturas é muito parecido. Figura 70 - Comparação das misturas de referência para corrente alternada Se na corrente alternada a diferença de resistividades entre as misturas era percetível, já na corrente contínua essa diferença é quase nula (Figura 71), pelo que se pode concluir que a mistura de ASIC apresenta melhor comportamento à passagem da corrente elétrica quando é submetida a corrente alternada. 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 0200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 Resistividade (Ohms x cm) Frequência (Hz) 5% ASIC 5% grafite+5%Asic AC14 Unif 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 0200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 Resistividade (Ohms x cm) Frequência (Hz) Asic unif AC14 Unif Materiais sustentáveis com capacidade sensitiva para aplicação no sector da construção ___________________________________________________________________________________ 96 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AdNormas (2019). 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