ÁREA: Iniciação Científica
TÍTULO: Modelagem Molecular como Ferramenta de Avaliação do Pavimento Asfáltico
AUTORES: RACHELE, K.G. (CETEM) ; RIBEIRO, R.C.C. (CETEM) ; CORREIA, J. C. G. (CETEM)
RESUMO: Buscando melhorias nos pavimentos asfálticos, estudou-se o processo de interação química entre as suas matérias-primas (agregados minerais e cimentos asfálticos de petróleo – CAPs). Para tal, utilizou-se os agregados minerais basalto, gnaisse e calcário, analisados por meio de análises mineralógica e química, e um CAP, caracterizado por meio de análise elementar, ressonância magnética nuclear de 13C e 1H e determinação da massa molecular média. O processo de interação CAP/Agregado foi avaliado por meio de modelagem molecular e estudos de adsorção físico-química. Os resultados laboratoriais indicam maior adsorção entre o CAP e os agregados minerais basalto e gnaisse, resultados confirmados pela modelagem molecular, concluindo que a técnica é uma alternativa viável para o estudo do processo.
PALAVRAS CHAVES: modelagem molecular, agregados minerais, cimento asfáltico de petróleo
INTRODUÇÃO: É crescente a necessidade de reabilitação das estradas brasileiras, uma vez que, devido ao rápido crescimento da frota de veículos muitas vezes elas passam a suportar um tráfego não previsto em seu projeto. A qualidade de uma estrada se sustenta na boa prática da pavimentação e na adequada manutenção ao longo dos anos. O primeiro pilar, por sua vez, tem a ver com toda a tecnologia e qualidade dos produtos e processos empregados. Dessa forma, torna-se cada vez mais necessário um conhecimento mais profundo sobre a qualidade e o processo de interação entre matérias-primas utilizadas na geração dos pavimentos (Ribeiro, 2006).
O CAP é utilizado como ligante dos agregados minerais na formação do pavimento asfáltico, formado por um sistema coloidal constituído por duas fases distintas: os maltenos, em maior proporção, e os asfaltenos. Esses últimos apresentam um número significante de anéis aromáticos, cadeias alquílicas e cicloalquílicas, além de grupos polares contendo enxofre, nitrogênio e oxigênio (Murgich et al., 1996). Segundo Ribeiro (2003), a adsorção de CAPs aos agregados minerais está relacionada, principalmente, na capacidade dos asfaltenos presentes na estrutura dos CAPs se interligarem à superfície mineral. O programa SHRP (Strategic Highway Reasearch Program) propõe que forças intra e intermoleculares sejam as responsáveis pela formação de redes tridimensionais que resultam no processo de interação dos asfaltenos. Porém o processo de interação entre anéis aromáticos é o mais aceito. Além disso, a presença de grupos polares nos asfaltenos, contendo carbono, oxigênio, nitrogênio e enxofre, bem como íons metálicos, também permite a agregação destas moléculas entre si, ou pela interação com outros compostos polares, contidos em superfícies minerais.
MATERIAL E MÉTODOS: Utilizou-se um basalto oriundo de São Carlos – SP; um gnaisse, oriundo de Santo Antônio de Pádua – RJ e um calcário oriundo de Santana do Cariri – CE. Analisou-se os agregados minerais por meio de análises mineralógica e química, realizadas pelo Laboratório de Análises Químicas da Coordenação de Análises Minerais (COAM), do Centro de Tecnologia Mineral (CETEM). Na Análise do Asfalteno os teores de carbono, hidrogênio e nitrogênio foram determinados por um analisador elementar (CHN), os teores de enxofre determinados pelo analisador Leco e o oxigênio foi determinado por diferença.Os resultados de RMN de 1H e 13C foram obtidos utilizando-se um espectrômetro Varian INOVA-300.A determinação da massa molecular média do asfalteno foi efetuada por crioscopia.
Na avaliação da interação asfalteno/mineral por meio de modelagem molecular utilizou-se o programa Hyperchem 7.0. Modelou-se a estrutura hipotética do asfalteno constituinte do CAP com base em sua análise elementar, RMN de 1H e 13C e peso molecular e otimizou-se sua geometria. Simulou-se as estruturas dos cristais dos principais minerais constituintes dos agregados utilizados, baseados em suas análises mineralógica e química.Interagiu-se a conformação mais estável do asfalteno com o cristal de cada mineral e por meio da otimização da geometria das duas espécies juntas obteve-se a energia potencial do sistema. O processo de interação foi realizado em quatro posições diferentes. Nas posições 1 e 2 o cristal foi posicionado nas proximidades do plano formado pelos anéis aromáticos e nas posições 3 e 4 nas proximidades das ramificações de cadeias alifáticas da estrutura do asfalteno.
Realizou-se o ensaio de adsorção físico-química utilizando-se o método descrito em PI 012384, desenvolvido por pesquisadores do CETEM.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: A análise mineralógica dos agregados minerais mostra um alto teor de feldspato para basalto e gnaisse, e a presença de quartzo para esses agregados, porém mais significativamente no gnaisse. Já o calcário apresenta predominantemente a forma calcítica. Na análise química verifica-se um alto teor de sílica e alumina para basalto e o gnaisse, característicos dos minerais feldspato e quartzo. Já o calcário apresenta um alto teor de cálcio, confirmando ser um calcário calcítico.
Na avaliação do asfalteno a análise elementar indicou 83,9% de carbono, 9,8% de hidrogênio, 4,4% de enxofre e teores bem menos significativos de oxigênio e nitrogênio. Nos resultados de RMN de 1H e 13C verifica-se altos teores de carbono e hidrogênio saturados e aromáticos, indicando a presença de anéis aromáticos com ramificações de cadeias alifáticas saturadas longas.
Por meio da modelagem molecular simulou-se e otimizou-se a estrutura do asfalteno constituinte do CAP, apresentada na Figura 1. Os carbonos estão em preto, os hidrogênios em amarelo e o enxofre em vermelho. Simulou-se a estrutura dos cristais de feldspato, quartzo e calcita constituintes dos agregados e na Interação Asfalteno/Mineral a melhor interação, com o menor valor de energia potencial, foi obtida com o feldspato. Tal fato pode estar relacionado à presença do átomo de alumínio altamente polarizante capaz de produzir atração dipolo-dipolo com o asfalteno. Os valores obtidos nas posições 1 e 2 foram menores para os três minerais confirmando a teoria proposta pelo programa SHRP de que a interação está relacionada com a atração dos anéis aromáticos ricos em elétrons, aos sítios pobres em elétrons da superfície mineral.
Os resultados do ensaio de adsorção físico-química confirmam os resultados obtidos por modelagem molecular.
CONCLUSÕES: Pôde-se concluir que a interação Cap/Agregado é mais efetiva com os agregados minerais basalto e gnaisse que possuem feldspato em sua composição e conseqüentemente geram a mistura asfáltica de melhor qualidade. Verificou-se também que a técnica de modelagem molecular pode ser utilizada como uma nova alternativa para o estudo do processo de interação CAP/Agregado, sem que hajam gastos desnecessários em laboratório.
AGRADECIMENTOS:
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: DANA, J. D., Manual de Mineralogia, vols. 1 e 2, EDUSP, São Paulo, 1970.
DEER, W. A., HOWIE, R. A. e ZUSSMAN, J., “Minerais Constituintes das Rochas – Uma Introdução”, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, Portugal, 1966.
LEITE, L. F. M., “Estudos de preparo e caracterização de asfaltos modificados por polímero”, Tese de Doutorado, Instituto de Macromoléculas – IMA, Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, Rio de Janeiro, 1999.
MURGICH, J., RODRIGUEZ, J. e ARAY, Y., “Molecular recognition and molecular mechanics of micelles of some model asphaltenes and resins”, Energy and Fuels, vol.10, 1996, pp. 68-76.
PI 012384, Processo de avaliação da interação CAP/Agregado.
RIBEIRO, R. C. C., “Interação entre cimentos asfálticos e seus constituintes com agregados minerais na formação do asfalto”, Tese de Mestrado, Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, Rio de Janeiro, 2003.
SHRP – Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, DC, 1993.
