Usinas de asfalto: tópicos importantes

Trabalhando desde 2008 no ramo de fabricação e fornecimento de equipamentos de pavimentação me deparei com inúmeras situações onde representantes de construtoras e responsáveis técnicos por obras rodoviárias demonstravam falta de conhecimentos básicos sobre usinas de asfalto, o equipamento mais importante dentro do processo produtivo da pavimentação asfáltica.

Muitos detalhes importantes sobre a usina de asfalto ainda são pouco conhecidos. Desta forma selecionei algumas informações básicas sobre a máquina. São temas que podem ser muito importantes para empresas que executam obras de pavimentação e que necessitam de uma usina de asfalto.

1.      Usina em chassi rodoviário – aumento desnecessário de custo

            Praticamente todos os fabricantes de usinas de asfalto ofertam seus produtos montados sobre um chassi rodoviário. A vantagem é a mobilidade do equipamento, que pode ser engatado em um caminhão e facilmente transportado entre uma obra e outra quando há necessidade de realocação da usina.

            Acontece que na prática ocorre que muitas vezes uma empresa compra a usina de asfalto, instala em um local e nunca mais movimenta o equipamento. Dependendo do porte da usina o chassi rodoviário representa um custo adicional de aproximadamente 25% no valor do equipamento por ter uma grande quantidade de aço de alta resistência. Outro fato comum é quando ocorre há necessidade de transporte e os pneus foram extraviados ou o engate foi danificado devido à exposição ao calor e a sujeira natural de um ambiente com muito pó no ar, dificultando a tal fácil mobilidade.

            Realmente há necessidade de pagar a mais por uma mobilidade que será pouco ou sequer utilizada? Há muitas situações onde a usina de asfalto é instalada em uma pedreira e dificilmente será transferida para outro local. Nestes casos é interessante ver a possibilidade de instalar uma usina fixa com os mesmos componentes da usina móvel, com pesagem dinâmica dos agregados e produção contínua. Desta forma ocorre uma redução de custo bastante considerável.
               Outra possibilidade também é adquirir uma usina gravimétrica, fixa e de maior custo por ter um sistema diferenciado de dosagem de agregados por peneiramento, com produção descontínua por bateladas. Tudo deve ser definido de acordo com o grau de exigência do produto final e do retorno financeiro do projeto.

Usina de asfalto montada sobre chassi rodoviário. Um alto volume de aço é necessário para a fabricação.

Representação de uma usina de asfalto montada sobre base fixa. Os subconjuntos do equipamento são os mesmos de uma usina sobre chassi

2.      Usina de asfalto em contêiner – facilidade na logística de transporte

            Alguns fabricantes de usinas de asfalto do Brasil passaram a ofertar o equipamento dentro de contêiner, o que já existia no exterior. Assim como em uma usina sobre chassi rodoviário ou usina montada sobre uma estrutura fixa, os componentes são basicamente os mesmos (silos dosadores, tambor secador, misturador, sistema de filtragem e cabine de comando e operação). No entanto o projeto contempla que todos estes subsistemas da usina sejam transportados dentro de um contêiner, e no local de instalação sejam posicionados em posição de operação.

Portanto, qual a vantagem de adquirir uma usina de asfalto em contêiner? Basicamente apenas para facilitar o transporte. As usinas em chassi rodoviário requerem uma série de exigências e burocracias tanto para o fabricante quanto para o cliente que a compra. Por exemplo, usinas em chassi rodoviário só podem rodar durante o dia nas rodovias do Brasil. Para os fabricantes o “pepino” é maior ainda porque cada país tem uma legislação diferente em relação às exigências de cargas por eixo, dimensões, sinalizações, etc. É preciso praticamente customizar a usina de acordo com o mercado destino. Já um contêiner basta posicionar em cima de um caminhão de transporte e seguir viagem. Para transporte marítimo a facilidade é a mesma.

Embora a usina em contêiner tenha facilidades logísticas é preciso checar se alguns modelos não apresentam subdimensionamento de alguns conjuntos, pois é preciso “apertar” o equipamento para que caiba dentro de um contêiner. Em uma usina instalada sobre base fixa este problema não existe, pois a área instalada pode ser maior do que a dimensão de transporte. No contêiner esta flexibilidade é limitada. 
É preciso também verificar se o modelo da usina de acordo com o porte de produção terá um, dois ou três contêineres. Embora o contêiner seja menos burocrático para transportar muitas vezes não vale financeiramente a pena ter que carregar três contêineres (quatro, se contar o tanque de armazenamento de CAP e combustível) em vez de um único chassi rodoviário.  

Representação de uma usina de asfalto fabricada dentro das dimensões de contêineres

Exemplo de usina de asfalto em contêiner, divulgada pelo fabricante Lintec-Ixon

3.      Usina de asfalto gravimétrica – risco zero de falhas granulométricas

Como já foi postado aqui no blog em maio de 2018 (tipos de dosagem e mistura em usina de asfalto), basicamente há dois tipos de usinas de asfalto quanto ao processo de dosagem dos materiais: as usinas com pesagem dinâmica dos agregados, através das diferentes velocidades das correias de cada material utilizado, e as usinas gravimétricas com separação granulométrica por peneiramento.

No Brasil e na América Latina a grande maioria das usinas é do tipo com dosagem por pesagem dinâmica. Uma usina gravimétrica exige maior dimensão do equipamento em função da torre de peneiramento e mistura, o que resulta em maior custo e sem mobilidade alguma. Já uma usina com dosagem dinâmica pode ser projetada em uma área pequena, podendo ser fabricada sobre chassi rodoviário, contêiner ou sobre uma base fixa de pequena dimensão.
        O “calcanhar de aquiles” das usinas por pesagem dinâmica é a contaminação entre silos, o que ocorre muito na prática principalmente em modelos de usinas que tenham silos bipartidos. O material de um silo acaba entrando no silo vizinho, e assim ocorre uma contaminação que pode gerar uma falha na granulometria da mistura asfáltica produzida. Já na usina gravimétrica esta falha não ocorre em função do processo de separação dos materiais que ocorre através da passagem em peneiras. O risco é mínimo de falha granulométrica, que pode ocorrer somente se houver algum desajuste na balança de pesagem dos materiais.

Contaminação dos agregados entre silos é uma ocorrência muito comum em usinas de asfalto. Não há peneiramento posterior, o que pode gerar distorções na granulometria da mistura asfáltica produzida. 

Com separação granulométrica por peneiras e pesagem individual de cada agregado para composição da mistura, o risco de falhas granulométricas em usina do tipo gravimétrica é nulo. 

4.      Mistura interna drum mixer: possibilidade de instalação de misturador externo

No mercado de usinas de asfalto no Brasil predomina atualmente os modelos com misturador externo ao tambor secador. No passado praticamente só existiam usinas do tipo drum-mixer, onde o tambor é dividido entre a área de secagem dos agregados e a área de mistura de agregados com o CAP (cimento asfáltico de petróleo). Alguns fabricantes seguem fabricando este tipo de usina, embora a maioria já tenha aposentado esta característica e migrado para o misturador externo.

Os fabricantes que seguem produzindo usinas de asfalto com sistema de mistura interna chamam o sistema de misturador externo rotativo, porém a mistura com asfalto segue sendo executada dentro do tambor. A grande rejeição a este tipo de sistema é a exposição do ligante asfáltico às altas temperaturas internas do tambor de secagem, o que poderia gerar uma oxidação precoce do CAP e assim reduzir sua vida útil (perda da propriedade elástica, apresentando tendência ao trincamento). Embora se acredite que isto ocorra não há nenhum estudo científico aprofundado que comprove, tanto que usinas do tipo drum-mixer seguem sendo fabricadas também no exterior. No entanto muitos órgãos técnicos e concessionárias de rodovias rejeitam o uso deste tipo de usina, dando preferencia às usinas com misturador externo.
     Para empresas que possuem usinas deste tipo e não desejam perder algum contrato é possível instalar um misturador externo ao tambor. O compartimento de mistura com o CAP é acoplado junto à saída do tambor para o elevador de transporte ao caminhão, assim dentro do tambor ocorre apenas a secagem dos agregados.

Tambor drum-mixer: secagem dos agregados e mistura com o CAP ocorrem ambas dentro do tambor.

Localização do compartimento de mistura de um tambor drum-mixer.

É possível fazer a adaptação em uma usina com mistura interna para executar a mistura dos agregados com o CAP em compartimento externo ao tambor de secagem.

5.      Medidor de vazão de asfalto: investimento com ótimo retorno financeiro.

Trata-se de um opcional configurável de uma usina de asfalto que mede a vazão real de CAP que está sendo injetado na mistura com os agregados. O medidor de vazão é um dispositivo que checa a quantidade de ligante asfáltico que está passando pela tubulação de maneira volumétrica, verificando além do fluxo a densidade, pressão e temperatura. A correção da quantidade de CAP é realizada caso necessário.

Embora seja utilizado em cerca de 5% da composição de uma mistura asfáltica, o CAP apresenta um alto valor no orçamento de uma obra de pavimentação, de aproximadamente 50% dos custos de produção asfáltica. Então qualquer variação na sua quantidade resulta em um alto impacto financeiro. Qualquer mudança que ocorra, por mínima que seja, representa um valor financeiro importante.
Para instalar o medidor de vazão é preciso fazer uma adaptação especial na tubulação que interliga o tanque de armazenamento com o misturador da usina. Nesta adaptação é inserido o medidor, conectado ao sistema de automação do equipamento.

Diversos estudos comprovam que o custo do asfalto (ligante asfáltico, o CAP) representa aproximadamente 50% dos custos de produção de uma mistura asfáltica.

Um medidor de vazão de CAP garante que a proporção do ligante na mistura terá acuracidade total, evitando distorções que resultam em perdas financeiras e da qualidade da mistura asfáltica.

6.      Tanques de armazenamento: configurações e características.

Toda usina de asfalto necessita de um tanque de armazenamento de ligante asfáltico (CAP – cimento asfáltico de petróleo) e combustível. Há inúmeros modelos ofertados no mercado, com uma infinidade de opcionais, o que gera muitas dúvidas no momento da compra.

O mais comum é instalar um tanque compartido 40/20, que significa 40 mil litros de armazenamento de CAP e 20 mil litros de armazenamento do combustível utilizado na usina, e um sistema de aquecimento para manter o ligante asfáltico na temperatura ideal. Geralmente os fabricantes já ofertam uma usina saindo de fábrica com este tanque incluso. E por que esta proporção?

A relação de consumo de CAP em média é bem superior ao de combustível, a média é uma relação de 1:10. Em uma produção de 500 toneladas por dia são consumidos 25 toneladas de CAP (considerando o uso de 5% na mistura, a média utilizada). Ou seja, 25 mil litros, praticamente a metade de um tanque de 40 mil litros. Seria necessário reabastecer o tanque a cada 2 dias. Se a usina está em um local distante dos fornecedores o ideal seria instalar outros tanques interligados que permita uma maior capacidade de armazenamento que permita o trabalho por mais dias. Geralmente este tanque do tipo 40/20 é insuficiente para altas produções, sendo necessário o uso de outros tanques. Tudo é questão de calcular a quantidade que será utilizada em determinada obra, porém são poucas empresas e profissionais que conhecem a forma de realizar este cálculo.

Já o consumo de combustível depende de diversos fatores tais como o modelo da usina, tipo de combustível utilizado, alta umidade dos agregados (o que aumenta o consumo), etc. Considerando um consumo médio de 5 litros por tonelada produzida, então com produção de 500 toneladas por dia são consumidos 2.500 litros de combustível. Em um tanque com capacidade para armazenar 20 mil litros de combustível é possível realizar o abastecimento somente depois de muitos dias. Ao contrário do armazenamento de CAP, o reservatório para combustível está muito bem dimensionado neste tanque do tipo 40/20.

Estão disponíveis também tanques de maior capacidade, com 60 mil litros para CAP e 20 mil litros de combustível. Este tipo de tanque geralmente tem o compartimento de CAP bipartido em dois reservatórios de 30 mil litros, o que permite armazenar CAP convencional e também um ligante asfáltico modificado no mesmo tanque. Há também tanques ainda maiores, com capacidade de 100 mil litros.

Os opcionais para tanques costumam ser também motivos de dúvidas. Por exemplo, agitadores podem ser utilizados para manter o ligante asfáltico homogêneo, principalmente quando se utiliza asfalto modificado. 

Representação de um tanque do tipo 40-20, um dos mais utilizados em usinas de asfalto.

Representação de um tanque do tipo 30-30-20, que permite armazenar dois tipos diferentes de ligante asfáltico (CAP).

Agitador instalado dentro de um tanque de armazenamento de ligante asfáltico.

7.      Instalação de um módulo de pré-misturado a frio na usina de asfalto

Um opcional que pode se tornar bastante útil é o módulo adicional que permite a produção de misturas a frio para camadas de base utilizando a própria usina de asfalto. Este módulo é simplesmente um conjunto com correia transportadora e um misturador acoplado junto às correias dosadoras da usina, cujo sentido de giro é invertido. O material em vez de seguir para o tambor de secagem é transportado para o lado oposto, em direção ao módulo. Para isto é preciso verificar a automação da usina, e fazer o ajuste caso necessário.

Em obras de alta produção o ideal é ter uma usina de pré-misturado a frio, conhecido também como usina de solos, para produzir estas misturas para base. Já em casos de menor produção onde a usina de asfalto não opera 100% do tempo é interessante utilizar o mesmo equipamento para produzir misturas asfálticas a quente e também misturas a frio tais como BGS (brita graduada simples), BGTC (brita graduada com cimento), entre outras misturas. No caso do BGTC é preciso instalar também um silo de cimento junto ao misturador do módulo.

Ilustração do módulo de pré-misturado a frio acoplado em uma usina de asfalto.

Foto de um módulo de mistura à frio instalado em usina de asfalto.

8.      Utilização de silo de armazenamento de massa asfáltica

Em usinas do tipo produção contínua, as mais comuns e em grande quantidade pelo Brasil, há necessidade de ter caminhões de transporte durante todo o tempo de produção. No momento que há falta de caminhão é preciso interromper a produção, o que gera perdas de materiais e prejuízos financeiros. Isto não ocorre nas usinas gravimétricas (com produção descontínua) que representam menos de 10% das usinas de asfalto existentes no Brasil.

Uma solução para evitar transtornos por falta de caminhões de transporte é a instalação de um silo de armazenamento de massa asfáltica. É um módulo opcional configurável de fácil acoplamento na usina de asfalto, permitindo o armazenamento da mistura asfáltica produzida em temperatura adequada.

Outra vantagem do uso deste módulo é utilizar a usina menos horas por dia, quando possível. Uma usina de asfalto muitas vezes opera abaixo de sua produção máxima, durante várias horas por dia. Há um custo operacional em manter a usina em funcionamento, mesmo em produções menores o queimador está consumindo combustível. É possível verificar a possibilidade, de acordo com a demanda de produção necessária, em operar a usina em sua produção máxima durante poucas horas do dia e deixar o material produzido armazenado dentro do silo.

Detalhes do silo de armazenamento de massa asfáltica

Caminhão recebendo o material do silo de armazenamento de massa asfáltica instalado em uma usina.

9.      Filtro de mangas – o pulmão da usina

Para secar e aquecer os agregados com o objetivo de permitir a mistura destes insumos com o cimento asfáltico (CAP) é preciso utilizar uma chama para gerar a energia térmica suficiente para executar a função. Basicamente é acender um fogo e gerar calor. Só que esta queima gera consequências. Além de emitir gases tóxicos, ainda ocorre o arraste de materiais finos presentes junto às britas e pó-de-pedra. Uma usina de asfalto sem um sistema de filtragem gera uma fumaça negra para a atmosfera, o que não é permitido pelos órgãos ambientais.

As usinas de asfalto mais antigas utilizavam um processo de filtragem conhecido como via úmida, que é simplesmente o espargimento de água contra o material particulado em suspensão pelos gases. Estes materiais em contato com a água aumentam de peso e volume em forma de lodo, que é transportado a um tanque de decantação. O problema deste processo é o passivo ambiental criado. O lodo acumulado não apresenta serventia alguma e ainda necessita de uma grande área para a sua deposição. Este método acabou sendo substituído por processos mais eficientes e limpos, com reaproveitamento do material fino em suspensão que até então não havia como redirecionar para a produção da mistura asfáltica.

O filtro de mangas foi então desenvolvido para receber os gases de exaustão sem danos ambientais e também possibilitar a recuperação dos finos em suspensão pelos gases gerados na combustão do queimador. No tambor de secagem há uma câmara de aspiração por onde os gases são transportados para uma tubulação de exaustão em direção ao filtro, localizado na parte traseira da usina. Dentro do filtro há um conjunto de mangas (material que lembra um tipo de tecido) que absorvem os gases e os finos em suspensão. As mangas são posicionadas em uma espécie de gaiola em formato cilíndrico. Os materiais aderidos na manga são recuperados através da injeção de ar gerada pela parte superior, caindo na parte inferior do filtro e sendo transportados através de transportadores helicoidais até o misturador.

As usinas de asfalto mais antigas geralmente apresentam filtros com problemas de dimensionamento, muitas vezes se tornando um gargalo na produção asfáltica. Ao longo do tempo os fabricantes foram aprimorando tecnicamente o filtro. As mangas inicialmente eram lisas, o que requeria uma área grande para suprir a demanda da usina. Alguns fabricantes migraram para as mangas plissadas, em formato sanfonado, com área filtrante cinco vezes superior a de uma manga lisa, o que consequentemente permite diminuir as dimensões do filtro. Uma grande área de filtragem garante produção constante, pois a exaustão permanece estável. Um filtro eficiente e bem dimensionado é como um pulmão que permite o pleno funcionamento do equipamento. 

Outro problema bastante comum é a falha na temperatura do filtro. Quando está abaixo de 100°C ocorre uma condensação interna, o que prejudica o processo de exaustão. Já em temperaturas elevadas pode ocorrer danos nas mangas, cujo material não resiste a temperaturas muito elevadas. Em filtros mais antigos é difícil executar o controle da temperatura, que pode variar em função de variação da umidade dos agregados. Esta é uma falha de aplicação muito comum pelo Brasil, quando britas com alta umidade são inseridas na usina, gerando muito vapor que segue para o filtro e aumenta sua temperatura interna. O ideal é que os agregados tenham no máximo 3% de umidade. Até 6% de umidade ainda é possível utilizar, embora a produção seja reduzida. Acima disto pode ocorrer danos ao filtro.
Portando se uma usina antiga apresenta problemas em função do filtro é possível fazer uma atualização (retrofit) trocando somente o filtro, melhorando consideravelmente o funcionamento da máquina.

Representação do sistema de filtragem de uma usina de asfalto

Mangas plissadas, com maior área de absorção, devido a sua característica sanfonada

Mundialmente é discutida a questão do filtro de mangas mal dimensionado prejudicar a produção

10.      Fornecimento de energia elétrica – fundamental para o bom funcionamento

Uma usina de asfalto é um equipamento sofisticado, praticamente uma pequena fábrica. Para o seu funcionamento é preciso o uso de componentes elétricos e de automação. Portanto uma usina necessita de fornecimento de energia elétrica de boa qualidade.

Há duas opções para o fornecimento elétrico. Por meio de subestação (transformador) conectada à rede concessionária ou por meio de gerador de energia. Para ambos é necessário cumprir com a demanda do consumo de energia, cujo valor total é informado por meio de uma tabela de cargas. Esta tabela depende da configuração da usina. A recomendação é que seja utilizado transformador ou gerador com potência superior a 20% à carga instalada da usina.

Embora seja um pré-requisito básico ainda há muitos problemas que surgem em função de más condições de energia. Variações de tensão podem comprometer o funcionamento da máquina, gerando problemas de produção e de qualidade da mistura asfáltica produzida. A energia fornecida precisa estar isenta de qualquer distúrbio que afete a sua qualidade, garantindo um funcionamento ininterrupto da usina.

Para garantir um bom funcionamento e segurança existem alguns sistemas de proteção contra distúrbios da rede elétrica. Por exemplo, um supervisor de tensão monitora possíveis variações da rede, indicando as falhas e executando o desligamento da usina por questão de segurança. Um banco de capacitores atenua distorções harmônicas, diminuindo o consumo de energia. Se uma usina antiga não possui estes dispositivos é possível realizar a instalação, atualizando assim o equipamento. Mesmo com todos estes dispositivos a recomendação é utilizar um gerador em locais com falhas frequentes no fornecimento de energia.

Todos os componentes elétricos de uma usina estão localizados em um quadro de força climatizado com ar condicionado, geralmente utilizando o mesmo aparelho que climatiza a cabine de operação. É muito importante realizar a manutenção preventiva, verificando periodicamente se todos os cabos estão bem conectados nos bornes do quadro de força, que servem de interligação para alimentar os motores da usina. Isto evita que ocorra falta de uma das fases da tensão, o que poderia resultar em aquecimento de motores e condutores.

Uma usina de asfalto precisa de energia elétrica para o seu funcionamento

Exemplo de lista de cargas de uma usina, que depende de sua configuração e deve ser fornecida pelo fabricante