BR112019014452B1 - Composição de asfalto, material aglutinante, e, usos de huminas na fabricação de material aglutinante e como material aglutinante para composições de asfalto - Google Patents

Abstract

Composição de asfalto compreendendo agregados e um material aglutinante, em que o material aglutinante compreende huminas, as quais huminas compreendem subprodutos carbonáceos insolúveis em água da desidratação de carboidratos e/ou 5-hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5-hidroximetilfurfural. A invenção também provê um material aglutinante para uso em composições de asfalto compreendendo de 1 a 95% em peso, preferivelmente de 5 a 60% em peso de tais huminas, com base no peso do material aglutinante. A invenção provê ainda o uso de tais huminas na fabricação de material aglutinante para composições de asfalto e o uso de tais huminas como material aglutinante em composições de asfalto.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a composições de asfalto, em particular a composições de asfalto que compreendem componentes sustentáveis que formam um material aglutinante para tais composições de asfalto.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Por composições de asfalto neste relatório descritivo entende- se a combinação compreendendo um material aglutinante e agregados.

[003] As estradas tendem a envelhecer e quando as estradas envelhecidas estão sendo renovadas, grandes quantidades de asfalto recuperado se tornam disponíveis. Do ponto de vista ambiental, é indesejável despejar o asfalto recuperado como resíduo. Portanto, há um crescente desejo de reciclar asfalto recuperado. Embora a recuperação do asfalto reduza o padrão de carbono do asfalto, é ainda mais desejável o uso de material renovável no asfalto, mesmo que seja apenas parte do asfalto. O material renovável pode ser usado em conjunto com o betume obtido da recuperação do asfalto, aumentando assim a aceitabilidade ambiental ainda mais.

[004] Por um material renovável é aqui entendido uma composição de matéria de origem biológica, tal como carboidratos, em oposição a uma composição de matéria obtida ou derivada de fontes fósseis tais como petróleo, gás natural, turfa ou carvão.

[005] Em Tang, Sheng, “Modificação de asfalto através do uso de bio-óleo ESP e aditivo de talóleo” (2010). GRADUATE THESES AND DISSERTATIONS. Documento 11569, Universidade do Estado de Iowa, foi proposto empregar o óleo que é obtido na pirólise da biomassa como aditivo ao betume. Tal óleo tipicamente contém entre outros produtos de degradação da lignina, compostos derivados de carboidratos e água. As ligninas podem ser descritas como polímeros de rede tridimensionais amorfos compreendidos de unidades de fenilpropano que se ligam de maneiras diferentes. É conhecido por suas propriedades antioxidantes. Óleos contendo lignina podem, portanto, ser usados como aditivo antioxidante em composições de asfalto. Para tal, foi proposto adicionar cerca de 9% em peso de tal óleo ao material aglutinante de betume.

[006] Em Kowalski ET AL., Transportation Research Procedia, 14 (2016) 3582-3591, um panorama das tentativas de tornar o asfalto mais sustentável foi apresentado. Menciona um aumento do uso de asfalto reciclado. Também descreve que a produção de bioetanol de segunda geração a partir de biomassas lignocelulósicas pode resultar em um subproduto de lignina para o qual uma saída é procurada. Uma saída típica é obtida pressionando lignina em pellets para produzir calor, por exemplo, para o próprio processo de produção de bioetanol. O artigo de revista descreve experimentos em que a lignina foi adicionada em várias quantidades ao betume. Foi concluído que a lignina era adequada para adição ao betume, para parcialmente substituir o polímero de estireno-butadieno-estireno (SBS). A principal vantagem seria uma redução de custo apreciável no aglutinante final.

[007] Seria vantajoso se o betume pudesse ser substituído, preferencialmente em sua totalidade, mas também adequadamente por uma fração, por uma fonte renovável, que não só teria um efeito sobre o preço do material aglutinante final, mas também exerceria um efeito vantajoso sobre o desempenho da composição de asfalto resultante.

SUMARIO DA INVENÇÃO

[008] Foi agora surpreendentemente descoberto que o uso de huminas, adequadamente obtidas durante a desidratação de carboidratos e/ou 5-hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5-hidroximetilfurfural, como material aglutinante em composições asfálticas tem um efeito benéfico contra a fissura do pavimento rodoviário usando tal asfalto e na sua sensibilidade à água.

[009] Consequentemente, a presente invenção provê uma composição asfáltica compreendendo agregados e um material aglutinante, em que o material aglutinante compreende huminas, as quais incluem subprodutos carbonáceos insolúveis em água da desidratação de carboidratos e/ou 5-hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5-hidroximetilfurfural.

[0010] Foi verificado que as propriedades de resistência à tração de tais composições de asfalto são surpreendentemente boas. Em muitos casos, as propriedades de resistência à tração de tais composições são mais elevadas do que as propriedades de composições de asfalto convencionais comparáveis ou composições de asfalto que compreendem lignina. As propriedades de tração são de interesse para os engenheiros de pavimentos, uma vez que essas propriedades afetam o comportamento de fissuras de um pavimento. O teste de resistência à tração indireta é usado para determinar as propriedades de tração das composições de asfalto. Essas propriedades podem estar relacionadas ao comportamento de fissuras do pavimento resultante. Fissura a baixa temperatura, fadiga e sulcos são os três principais mecanismos de perigo. Uma maior resistência à tração corresponde a uma resistência mais forte contra fissuras.

[0011] Outro parâmetro importante para o pavimento de estradas é a sua sensibilidade à umidade. Quando um pavimento da estrada é exposto à umidade, a resistência à tração tende a diminuir. Em uma razão de resistência à tração indireta, a resistência à tração de um pavimento molhado é comparada com a resistência à tração do pavimento seco. É importante que a resistência à tração do pavimento seja mantida em um nível suficientemente alto. Quanto maior a razão é, melhor a resistência à deterioração induzida pela umidade das propriedades de tração. No entanto, o nível absoluto da resistência à tração é de suma importância. Uma maneira potencial de medir a sensibilidade à umidade é por meio da medição do inchaço do asfalto. Quanto menos o pavimento incha sobre a influência da umidade, mais consistentemente o pavimento se comporta em condições secas ou úmidas. Parece que as composições asfálticas contendo humina apresentam uma excelente resistência aos danos induzidos pela umidade.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0012] Huminas constituem um material conhecido. Uma pessoa quimicamente habilitada estará ciente de que o termo humina pode ser usado para se referir a uma certa classe de compostos orgânicos que, pelo menos à temperatura ambiente, são essencialmente insolúveis em água em todos os pHs. O termo huminas é usado em dois contextos relacionados, na química do solo e na química do açúcar.

[0013] Embora o termo “huminas” seja usado tanto para as huminas derivados do solo como para as huminas derivados do açúcar, as próprias huminas são na verdade bem diferentes.

[0014] Na tese de I. van Zandvoort, intitulada “Rumo à valorização dos subprodutos da humina”, publicada pela Universidade de Utrecht, na Holanda em 2015 (ISBN: 978-90-393-6291-4), é explicado que espera-se que a humina derivada do solo ou as frações de húmus tenham uma estrutura mais complexa do que os subprodutos de humina formados durante a desidratação catalisada por ácido dos açúcares. Por exemplo, devido à incorporação de ácidos graxos, aminoácidos, lignina e materiais inorgânicos, as huminas derivadas do solo terão maior teor de nitrogênio do que as huminas obtidas por meio de um processo químico, catalítico de desidratação dos açúcares.

[0015] Além disso, sem querer se vincular a qualquer tipo de teoria, acredita-se que as huminas derivadas do solo sejam mais atraentes para fungos e bolores e, portanto, mais propensas à mofo, enquanto que as huminas obtidas durante a desidratação de carboidratos e/ou 5- hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5-hidroximetilfurfural, podem ser usadas por um tempo prolongado, adequadamente semanas, meses ou mesmo anos, sem mofo.

[0016] Os açúcares são também aqui referidos como carboidratos. As huminas descritas neste relatório descritivo podem ser vantajosamente obtidas durante a desidratação de carboidratos e/ou 5-hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5-hidroximetilfurfural. Isto é, as huminas descritas neste relatório descritivo são vantajosamente deriváveis de uma fonte renovável. Como explicado acima, como resultado as huminas no presente relatório descritivo são bastante diferentes das denominadas huminas derivadas do solo, tais como as huminas derivadas do solo extraídas de, por exemplo, turfa e usadas para revestimento de estradas como descrito, por exemplo, na US2102480. Embora tais huminas derivadas do solo na US2102480 sejam obtidas de uma fonte fóssil, tal como turfa, as huminas no relatório descritivo atual podem ser adequadamente produzidas durante a desidratação de carboidratos, uma fonte renovável.

[0017] As huminas também foram mencionadas na US 3293200, descrevendo composições adesivas termofixas que são úteis na fabricação de contraplacado e contêm, como ingredientes essenciais, uma resina de fenol aldeído solúvel em água e um material de humina finamente dividido, insolúvel em água, obtido da fabricação de ácido levulínico por hidrólise ácida de lignocelulose, isto é, um produto natural que compreende uma combinação de carboidratos e lignina. Embora vários procedimentos sejam conhecidos para a fabricação de ácido levulínico a partir de lignocelulose, a reação é geralmente realizada sob condições severas de hidrólise ácida a uma temperatura superior a 150°C, geralmente entre 170°C e 210°C na presença de um forte catalisador ácido. Durante a reação, o material de humina é formado como resultado de uma quebra de lignocelulose catalisada por ácido. Os produtos incluem hexosanos mas também macromoléculas contendo, entre outras, porções furfural e hidroximetil furfural. Tais macromoléculas são também referidas como huminas. O material restante compreende componentes de lignina e huminas. Os hexosanos são convertidos no ácido levulínico desejado.

[0018] Huminas foram ainda obtidas na desidratação de carboidratos na fabricação de ácido levulínico, 5-hidroximetilfurfural e/ou 5- alcoximetilfurfural e/ou aciloximetil-furfural. Huminas são também formadas na conversão de 5-hidroximetilfurfural em ácido levulínico e ácido fórmico (conforme G. Tsilomelekis ET AL., Green Chem., 2016, 18, 1983-1993). Um exemplo de uma tal reação de desidratação de carboidratos é descrita na DE 3621517.

[0019] Os processos preferidos de produção de humina são os processos descritos no documento WO 2007/104514 descrevendo a preparação de 5-alcoximetilfurfural a partir de um material de partida contendo frutose ou glicose, e o documento WO 2007/104515, divulgando a preparação de 5-aciloximetilfurfural a partir desse material de partida. Embora os últimos processos se propusessem a reduzir o rendimento das huminas, os processos inevitavelmente produzem quantidades de huminas para as quais se procura uma saída útil.

[0020] As huminas neste relatório descritivo foram preferencialmente produzidas pela conversão de frutose, glicose ou uma mistura de glicose e frutose na presença de água, um álcool ou um ácido carboxílico, preferivelmente a uma temperatura na faixa de 105 a 250°C. De um modo mais preferido, as huminas foram produzidas fazendo reagir um material de partida contendo frutose, um material de partida contendo glicose e/ou um material de partida contendo uma mistura frutose-glicose com ou em um álcool na presença de uma quantidade catalítica ou subestequiométrica de um catalisador ácido heterogênio, preferivelmente a uma temperatura na faixa de 105 a 250°C. Tal conversão pode adequadamente resultar na desidratação da frutose e/ou glicose, gerando as huminas. O álcool, pode ser adequadamente selecionado do grupo que consiste de álcoois alifáticos primários (não) ramificados, preferencialmente álcoois alifáticos não ramificados C1-C5, mais preferencialmente metanol, etanol, 1-propanol, iso-propanol, 1-butanol, mais preferencialmente metanol, etanol, mais particular preferivelmente etanol ou misturas dos mesmos. Tais processos são, por exemplo, descritos nos documentos WO 2007/104514 e WO 2007/104515 acima e, para mais detalhes, é feita referência a WO 2007/104514 e WO 2007/104515. As huminas produzidas pela conversão de frutose, glicose ou uma mistura de glicose e frutose na presença de um álcool foram verificadas ter uma pegajosidade vantajosa, tornando tais huminas muito adequadas para uso em uma composição de asfalto como aqui descrito. Mais preferencialmente, as huminas neste relatório descritivo compreendem subprodutos carbonáceos insolúveis em água da desidratação de carboidratos na presença de um álcool, preferivelmente metanol, etanol, 1-propanol, iso-propanol, 1-butanol ou uma mistura dos mesmos.

[0021] Neste relatório descritivo, as huminas consistem preferivelmente em subprodutos carbonáceos insolúveis em água da desidratação de carboidratos e/ou 5-hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5-hidroximetilfurfural. Mais preferivelmente, tal desidratação é uma desidratação catalisada por ácido. Sem querer ser limitado por qualquer tipo de teoria, acredita-se que estes tendem a ser os chamados corpos coloridos. Acredita-se que sejam polímeros contendo porções de 5-hidroximetilfurfural, furfural, carboidrato residual e ácido levulínico. Estes corpos coloridos são, entre outros, também produzidos como subprodutos na degradação parcial de carboidratos por calor ou outras condições de processamento, como descrito na, por exemplo, EP 338151. A estrutura molecular das huminas pode variar, dependendo da matéria-prima e solvente ou mistura de solventes usada, se houver, e as condições de processo aplicadas e ainda não estabelecidas inequivocamente. Acredita-se que as huminas sejam macromoléculas contendo, entre outras, porções furfural e hidroximetil furfural. Outras porções que podem ser incluídas nas huminas são grupos carboidrato, levulinato e alcoximetil furfural. Um mecanismo para a formação de moléculas de humina pode conter várias vias de reação, incluindo vias de policondensação, levando a uma rede de anéis de furano ligados por ligações de éter e acetal. Assim, adequadamente, as huminas podem compreender uma rede de anéis de furano ligados por ligações éter e acetal. Uma estrutura para huminas é apresentada em I. van Zandvoort ET AL. ChemSusChem, 2013, 6, 1745 - 1758. Neste artigo de jornal, a estrutura de humina é proposta para huminas obtidas na desidratação catalisada por ácido de carboidratos, como frutose, glicose ou xilose. A estrutura proposta é caracterizada por anéis de furano ligados através de porções alquileno. Foi verificado que os espectros de RMN destas huminas são muito semelhantes a outros tipos de huminas, todas compreendendo unidades furânicas ligadas a grupos metileno. Assim, preferivelmente, as huminas têm uma estrutura caracterizada por anéis de furano ligados através de porções alquileno, tais como grupos metileno e etileno. Além disso, outros grupos constituintes podem ser grupos hidroxila, aldeído, cetona, éter, ácido carboxílico e éster. Quando a desidratação dos carboidratos em derivados de furano é realizada na presença de um solvente orgânico estarem presentes outros grupos funcionais, tais como grupos éster alcoxi e alquila.

[0022] As huminas também podem ser caracterizadas com referência ao diagrama de Van Krevelen. Em tal diagrama, o índice de hidrogênio, isto é, a razão atômica hidrogênio:carbono, e o índice de oxigênio, isto é, a razão atômica oxigênio:carbono, são representados um em relação ao outro. Foi verificado que as huminas possuem adequadamente uma razão atômica oxigênio:carbono na faixa de 0,30 a 0,70, preferivelmente de 0,40 a 0,60 e uma razão atômica hidrogênio:carbono na faixa de 0,60 a 1,6, preferencialmente de 0,80 a 1,40. Como indicado, neste relatório descritivo, as huminas são em particular subprodutos insolúveis em água que foram obtidas a partir da desidratação catalisada por ácido de carboidratos, tais como celulose, amido, açúcares tais como glicose, frutose e combinações dos mesmos. Mais preferencialmente, os carboidratos são açúcares. Tais processos de desidratação são adequadamente usados para a conversão de carboidratos em ácido levulinico ou ésteres do mesmo, ou 5- hidroximetilfurfural ou éteres ou ésteres dos mesmos. Tais processos têm, entre outros, descrito nos documentos de patente DE 3621517, WO 2007/104514 e WO 2007/104515 acima mencionados.

[0023] Por composições de asfalto neste relatório descritivo entende- se a combinação compreendendo um material aglutinante e agregados. As composições de asfalto são amplamente usadas em pavimentos de estradas e aplicações similares. Os agregados em composições de asfalto que são usados em pavimentos de estradas são às vezes divididos por fabricantes de asfalto em três categorias; uma fração fina que tem um diâmetro inferior a 63μm, uma fração intermediária com um diâmetro na faixa de 63μm a 2 mm e uma fração grossa com um diâmetro superior a 2 mm. Os maiores agregados geralmente não têm um diâmetro máximo que exceda 32 mm.

[0024] As composições de asfalto são amplamente usadas para pavimentos rodoviários. O asfalto convencional de um pavimento de estrada pode geralmente conter de 3 a 10% em peso (percentagem em peso), mais geralmente 4 a 6% em peso de betume como material aglutinante. Os agregados são misturados com o betume, espalhados e compactados, geralmente enquanto estão quentes, para formar um pavimento de estrada.

[0025] As huminas que são usadas nas composições de asfalto de acordo com a presente invenção têm propriedades adequadas que em certa medida mimetizam as propriedades do betume. É preferível usar huminas que tenham um valor de penetração, determinado de acordo com a EN 1426 (a 25°C, com uma carga de 100g e por 5 s) de no máximo 90 dmm. Adequadamente, as huminas têm um valor de penetração de pelo menos 10 dmm. Em particular, os valores de penetração das huminas estão na faixa de 10 a 70 dmm.

[0026] As huminas que são obtidas na desidratação de carboidratos podem formar espumas. Tal foi descrito no pedido co-pendente PCT/NL2016/ 050742. A formação de espuma é obtida aquecendo um material de partida contendo huminas a uma temperatura na faixa de 150 a 450°C, em particular aquecendo tais materiais de partida a temperaturas na faixa de 170 a 410°C, mais preferivelmente de 180 a 350°C. Foi verificado que submetendo as huminas a um tratamento de endurecimento até uma temperatura inferior a 250°C, as huminas tendem a tornar-se mais consistentes. Desta forma, o valor de penetração pode ser ajustado para valores mais baixos, se tal for preferido. As huminas ajustadas pelo calor também mostram uma grande resistência à tração e podem ser usadas vantajosamente nas composições de asfalto de acordo com a invenção. Embora as huminas possam aumentar em volume e formar uma espuma, o produto resultante do tratamento de endurecimento por calor pode ser triturado ou granulado de outro modo e os grânulos obtidos podem ser usados nas composições de asfalto de acordo com a invenção.

[0027] Huminas são diferentes da lignina. A lignina é um polímero complexo de álcoois fenil-aromáticos. É comumente derivado da madeira e pode ser encontrado nas paredes celulares das plantas. É conhecido como um adesivo em seu estado natural. Como a lignina dissolvida possui alguns grupos reativos que permitem reagir com formulações adesivas, a lignina tem sido empregada em várias formulações adesivas de madeira. A lignina é uma macromolécula reticulada que é relativamente hidrofóbica e aromática por natureza. A molécula consiste em vários tipos de subestruturas. A macromolécula é sintetizada a partir de vários monômeros, incluindo o álcool p-cumarílico, o álcool coniferílico e o álcool sinapílico. A distribuição dos monômeros na lignina é dependente de espécies vegetais e tecidos. No entanto, as estruturas típicas para a lignina são grupos fenila, porções hidroxila e metoxi e ligações éter.

[0028] Os processos típicos de polpação de madeira que produzem lignina incluem os processos sulfito, kraft e soda. Nos últimos processos, a madeira é colocada em contato com uma solução de hidróxido de sódio e alguns outros produtos químicos para facilitar o isolamento de uma fração de lignina. Quando a polpação de madeira é realizada usando o processo de sulfito, a fração de lignina é convertida em ligno-sulfonatos. Na US 2006/0292366 foi descrita uma formulação para impregnação de madeira, em que, além do álcool furfurílico e de um iniciador ácido, pode ser usado um estabilizante solúvel em água, tal como o sal de cálcio ou amônio de um ácido lignosulfônico. As ligninas mais reativas podem ser isoladas a partir de um processo organosolv, no qual a madeira é submetida a polpação usando solventes orgânicos como etanol e/ou acetona. Um processo organosolv é descrito em, por exemplo, US 2013/172628.

[0029] O uso de huminas tem também a vantagem das composições de asfalto, que são tipicamente misturas de asfalto à quente, não necessitarem de ser aquecidas a temperaturas muito elevadas, uma vez que o amolecimento das huminas ocorre a uma temperatura inferior à do amolecimento das misturas de lignina/betume. Tipicamente, um material aglutinante contendo huminas é aquecido a uma temperatura na faixa de 120 a 200°C, preferencialmente de 130 a 180°C, mais preferivelmente de 150 a 170°C, antes de ser misturado com os agregados. Em vez de aquecer o material aglutinante contendo huminas ou além de aquecer o material aglutinante, é também possível aquecer os agregados até uma temperatura na faixa acima mencionada e misturar os agregados aquecidos com o material aglutinante, opcionalmente aquecido. A mistura aquecida de agregados e material aglutinante está adequadamente na faixa de 120 a 200°C.

[0030] As composições de asfalto de acordo com a invenção compreendem agregados. Como o perito percebe o termo agregado é o termo coletivo denotando qualquer mistura de partículas como areia, cascalho, brita ou cinzas para composições de pavimento. Os agregados geralmente são materiais minerais e podem ser compostos de pedras e seixos de pequeno porte, areia e poeira mais fina de material mineral. Agregados em aplicações de pavimentação tendem a ter uma variedade de diâmetros. Agregados também podem ser divididos em diferentes graus. Como indicado acima, eles podem ser divididos em um grau tendo diâmetros menores que 63 μm, outro grau com diâmetros de 63 μm a 2 mm, e um grau adicional com diâmetros maiores que 2 mm. Normalmente, a fração mais grossa do último grau pode ter partículas com um diâmetro de até 32 mm. Os diâmetros dos agregados são tipicamente determinados por peneiras. Peneiras padrão foram mencionados na norma EN 13043. Na presente invenção os diâmetros são determinados usando a peneira apropriada de acordo com EN 13043. Isso significa que agregados com um diâmetro de no máximo 2 mm correspondem com a fração que passa a peneira de 2 mm. A fração mais grossa, isto é, partículas com um diâmetro de mais de 2 mm, é a fração que não passa pela peneira de 2 mm.

[0031] O material aglutinante nas composições de asfalto de acordo com a invenção pode consistir em huminas. Isto implica que as composições de asfalto da invenção podem compreender um material aglutinante que, para 100%, consiste em huminas, com base no material aglutinante. Muito bons resultados foram obtidos com materiais aglutinantes que compreendem de 1 a 100% em peso de huminas, preferivelmente de 5 a 80% em peso, mais preferivelmente de 20 a 60% em peso de huminas. Usando outro material na composição aglutinante, além das huminas, podem também ser introduzidas propriedades favoráveis de tal outro material no material aglutinante e na eventual composição de asfalto.

[0032] Preferivelmente, o material aglutinante compreende betume, além de huminas. Por exemplo, o material aglutinante pode compreender de 1 a 90% em peso de betume, com base na quantidade de huminas e betume.

[0033] O betume usado pode ser o chamado asfalto virgem, que é uddo pela primeira vez, mas também pode compreender asfalto recuperado. Na prática, o asfalto já está sendo recuperado. Em tal caso, tipicamente, peças ou pedaços de asfalto reciclado, que podem, opcionalmente, primeiro ser quebrados em pedaços granulares, são aquecidos e misturados com asfalto fresco. Uma vez que o asfalto recuperado compreende betume, a temperatura a que o asfalto recuperado pode ser aquecido é limitada. Se a temperatura se torna muito alta, o betume torna-se pegajoso ou mesmo líquido, de modo que o asfalto recuperado será difícil de manusear ou não pode mais ser manuseado em uma usina de asfalto. O aquecimento do asfalto recuperado a uma temperatura tão alta também resulta em uma maior emissão de compostos orgânicos voláteis (VOCs) e em mais odores. No entanto, a recuperação do asfalto provê uma saída muito boa para as composições de asfalto existentes. Também é possível recuperar o betume do asfalto existente. O betume recuperado pode ser separado das peças ou pedaços de asfalto existentes por esmagamento ou sob a influência de impacto, por exemplo, em um moinho centrífugo, como divulgado no documento WO 2014/168479. O betume recuperado pode então ser reutilizado. Desta forma, uma nova composição de pavimento pode ser obtida sem a necessidade de matéria-prima adicional de fósseis. Neste contexto, é observado que o betume pode ser relativamente duro. Quando o betume recuperado é usado, o betume recuperado tende a ser envelhecido e, portanto, tem um ponto de amolecimento relativamente alto e um valor de penetração relativamente baixo. Uma vantagem do uso de huminas no material aglutinante reside no fato de quando o betume é usado como componente de material aglutinante adicional, as huminas podem permitir o uso de betume relativamente duro. Os graus de betume podem ser expressos por referência aos seus valores de penetração. De acordo com a norma europeia EN 12591, os graus de betume podem ser distinguidos, por exemplo, como betume 20/30, 30/45, 35/50, 40/60, 50/70, 60/70 e 70/100, em que os números indicam a valores de penetração (a 25°C, a uma carga de 100 g e por 5 s), conforme determinado em conformidade com a norma EN 1426. O betume 70/100 é relativamente macio. Portanto, quando o betume é um componente de material aglutinante em adição às huminas, o betume é adequadamente selecionado entre os graus 20/30, 30/45, 35/50, 40/60, 50/70 e 60/70.

[0034] Quando o betume recuperado é usado, pode ser vantajoso aplicar um agente de rejuvenescimento. Um tal agente de rejuvenescimento pode ser adicionado ao material aglutinante. Há uma infinidade de produtos que estão sendo usados e comercializados como agentes de rejuvenescimento. Tais produtos são geralmente classificados como óleos de fluxo, asfalto com viscosidade graduada e uma grande variedade de formulações proprietárias. Um potencial agente de rejuvenescimento é um modificador do óleo de xisto. Comumente usados são as frações de petróleo bruto, preferivelmente tendo uma viscosidade de pelo menos 200 mm2/s a 60°C, óleos animais, óleos vegetais e misturas dos mesmos. O uso de frações de petróleo bruto relativamente leves tem uma desvantagem ambiental na medida em que evapora e produz assim vapores hidrocarbonáceos que são indesejáveis do ponto de vista ambiental. Portanto, o agente de rejuvenescimento é preferivelmente um óleo vegetal, mais preferencialmente selecionado de óleo de soja, óleo de girassol, óleo de colza, óleo de milho, óleo de amendoim, azeite, óleo de coco, óleo de palma, óleo de palmiste e misturas dos mesmos, mais preferencialmente óleo de palma ou óleo de palmiste. O uso de tais óleos é mais sustentável e, como esses óleos apresentam baixa volatilidade, seu uso tem um efeito duradouro no asfalto.

[0035] A quantidade de betume no material aglutinante pode variar. Adequadamente, a quantidade de betume no material aglutinante está na faixa de 1 a 95% em peso, com base nas quantidades de humina e betume. Quantidades de betume abaixo de 1% em peso não fornecem qualquer influência significativa no desempenho do material aglutinante, enquanto quantidades acima de 95% em peso de betume frequentemente mostram muito pouco das vantagens inferidas pelas huminas. Bons resultados podem ser obtidos com materiais aglutinantes com um teor de betume na faixa de 40 a 90% em peso, com base nas quantidades de humina e betume.

[0036] Se desejável, para o material aglutinante vários outros componentes podem ser adicionados. Esses outros materiais incluem polímeros que são frequentemente adicionados ao betume para obter betume modificado e composições de asfalto modificadas. Nesse caso, o betume foi modificado pela adição de um ou mais polímeros. Tais polímeros podem ser elastômeros, tais como borracha de estireno-butadieno, copolímeros em bloco de estireno-butadieno, que podem ser lineares ou em forma de estrela; copolímeros em bloco de isopreno estireno, que podem ser lineares ou em forma de estrela, e borracha de EPDM (polímero de monômero de etileno propileno dieno). Alternativamente, termoplastos podem ser adicionados, tais como cloreto de polivinila, acetato de etileno-vinila; copolímeros de etileno e (met)acrilato de metila ou butila, polietileno ou polipropileno que adequadamente é atático.

[0037] Outro componente no material aglutinante pode ser lignina, além de huminas. Esse é o material aglutinante pode compreender adequadamente lignina, além de huminas. A lignina é também uma fonte natural sustentável e é, portanto, ambientalmente aceitável. Além disso, é sabido que pode ser usado adequadamente em composições de asfalto. Por conseguinte, o material aglutinante compreende adequadamente entre 0,5 e 20% em peso de lignina, além das huminas. Como a combinação de lignina e betume é conhecida, o material aglutinante nas presentes composições e asfalto compreende adequadamente humina, betume e lignina. Em tais composições, o teor de huminas é vantajosamente de 10 a 50% em peso, o teor de betume é vantajosamente de 10 a 70% em peso e o teor de lignina é vantajosamente de 5 a 20% em peso, em que as percentagens são baseadas na quantidades de huminas, betume e lignina. Isso implica que o total dessas porcentagens totalize 100% em peso. Adequadamente, a razão em peso de huminas para lignina é no máximo de 1:2, preferivelmente no máximo 1:1 e mais preferencialmente de 1:0,5. A razão em peso mínimo de humina para lignina pode ser de 1:0, mas na prática pode ser de 1:0,01. Estas razões em peso são preferidas para quaisquer materiais aglutinantes, incluindo aqueles que não compreendem betume.

[0038] De acordo com a presente invenção, as composições de asfalto compreendem agregados e material aglutinante contendo huminas. Esses agregados podem ter tamanhos diferentes, conforme indicado acima. Tipicamente, quando a composição de asfalto é usada como pavimento de estradas, compreende agregados finos e agregados grossos. Tais agregados podem ser rochas, seixos, etc., com um diâmetro superior a 2 mm, como agregados grossos e areia com um diâmetro inferior a 2 mm, como agregados finos. É também possível usar as composições de asfalto de acordo com a presente invenção como composições mastique.

[0039] De um modo preferido, a composição e asfalto compreende agregados, em que os agregados compreendem agregados com um diâmetro de, no máximo, 2 mm. Uma composição de mastique difere das composições de pavimento de estradas, na medida em que contém substancialmente apenas agregados com um diâmetro de, no máximo, 2 mm. Pode ser usado na preparação de pavimentos rodoviários, mas também é usado como aglutinante para seixos e pedras de pequeno porte, e como selante. As composições de asfalto são muito apropriadamente usadas como composições de pavimento de estradas. Isso inclui, por exemplo, concreto de asfalto, concreto mastique de pedra, também conhecido como asfalto mastique de pedra, concreto asfáltico denso e asfalto aberto, também conhecido como asfalto poroso, como “concreto asfáltico muito aberto” (em neerlandês ZOAB) que é semelhante ao Asfalto de graduação aberta dos EUA, conhecido como Open- Graded Friction Course (OGFC). O asfalto de graduação aberta fornece um tipo de pavimento poroso com melhor permeabilidade à água e supressão de ruído. Integra um esqueleto de agregados com tamanho mais ou menos uniforme com um mínimo de finos. Devido ao baixo teor de agregados finos, um grande número de vazios de ar é produzido, o que resulta em uma estrutura aberta com melhor permeabilidade à água e redução do ruído. Asfalto de mastique de pedra (SMA) provê um material de revestimento durável e resistente à deformação. O SMA tem um teor relativamente alto de agregado grosso, de modo que é formado um esqueleto de pedra que tem uma boa resistência à deformação permanente. O esqueleto de pedra é preenchido com um mastique de material aglutinante e enchimento ao qual podem ser adicionadas fibras. Composições típicas de SMA compreendem 5 a 8, geralmente 6 a 7% em peso de material aglutinante, com base em SMA.

[0040] É enfatizado que as composições de asfalto de acordo com a presente invenção podem ser usadas para aplicações diferentes do pavimento de estradas. Tais aplicações incluem feltros e vedantes de telhado, pavimentos, por exemplo, em edifícios industriais ou parques de jogos ou quadras de tênis, e aditivos para fluidos de perfuração para a indústria de petróleo e gás. As composições de asfalto de acordo com a presente invenção podem, além das aplicações de pavimento e mastique, também ser aplicadas em outras saídas de asfalto atuais e futuras, tais como, mas não limitadas a: controle hidráulico e de erosão; áreas de captação, bacias; rebocos de barragens, revestimentos de barragens, proteção; proteção de dique, forros de vala; calhas de drenagem, estruturas; proteção de aterro; quebra-mar; diques; colchões para proteção de diques e proteção de margem; revestimentos de membrana, impermeabilização; revestimentos de reservatórios; cobertura; produtos elétricos; revestimentos; estabilização de dunas de areia; lagoas de esgoto, lagos de oxidação; piscinas; lagos de resíduos; barreiras de água, tintas e esmaltes e feltros de suporte.

[0041] Além disso, a composição de asfalto de acordo com a presente invenção pode compreender um ou mais aditivos. Alguns dos aditivos em potencial já foram mencionados, como polímeros e agentes de rejuvenescimento. Outros aditivos incluem promotores de adesão, tais como compostos de amina, cal, hidróxido de cálcio, aditivos antidrenagem, tais como fibras de celulose, fibras de vidro e lã de rocha, e corantes, como óxido de ferro, zeólitos naturais ou sintéticos como agentes modificadores da viscosidade, estabilizantes, antioxidantes e misturas de qualquer destes compostos. Um aditivo particularmente adequado é um enchimento consistindo de carbonato de cálcio e/ou hidróxido de cálcio. O material de enchimento tem um diâmetro de, no máximo, 0,2 mm. Um enchimento preferido é o calcário.

[0042] A quantidade de cada um dos aditivos na composição de asfalto está adequadamente na faixa de 0,2 a 6,0% em peso, preferivelmente de 1,0 a 5,0% em peso, com base na composição de asfalto. Preferivelmente, o aditivo ou aditivos estão presentes em uma quantidade na faixa de 0,2 a 6,0% em peso cada, com base na composição de asfalto.

[0043] As composições de asfalto de acordo com a presente invenção possuem propriedades vantajosas. As composições de asfalto apresentam uma resistência à tração indireta de pelo menos 1,5 MPa, conforme determinado de acordo com a EN 12697-12. Esta é a resistência à tração da composição quando é medida como uma composição seca. Quando a composição de asfalto é mantida sob água a 40°C e a resistência à tração indireta da amostra é então determinada, o valor é diminuído, mas ainda é retido em um nível suficientemente alto. O nível pode mesmo ser superior à resistência à tração indireta das composições de asfalto convencionais que compreendem betume como material aglutinante.

[0044] Uma propriedade interessante do pavimento da estrada é a sensibilidade à água, em particular a propriedade de manter a resistência à tração após a exposição a condições molhadas. Para isso, a indústria desenvolveu a razão de resistência à tração indireta. Pela razão de resistência à tração indireta (ITSR) entende-se a razão da resistência à tração indireta, determinada sob condições molhadas dividida pela resistência à tração indireta determinada sob condições secas. Esta razão de resistência à tração indireta pode, por exemplo, ser pelo menos 0,75. Mais adequadamente, a ITSR é relatada como porcentagem. Foi verificado que as composições de asfalto de acordo com a invenção mostram não apenas um excelente valor absoluto da resistência à tração, mas que as composições de asfalto também têm uma ITSR de pelo menos 75%, preferivelmente pelo menos 80%, mais preferivelmente pelo menos 85%, conforme determinado em conformidade com a EN 12697-23. Normalmente, a ITSR máxima é 100%, mais tipicamente 98%. Foi verificado que a ITSR de composições de asfalto que contêm uma mistura de betume e huminas como material aglutinante, é aumentada quando o teor de huminas também é aumentado.

[0045] Também foi surpreendente que as composições de asfalto de acordo com a presente invenção apresentam um inchaço notavelmente baixo quando expostas à umidade. Isto é muito surpreendente, uma vez que as huminas tendem a ter grupos polares, tais como o anel de furano, grupos hidroximetilfurila e, opcionalmente, outras porções hidroxila e carboxílica, como descrito acima. Apesar desses grupos polares, a afinidade em relação à água não é tal que provoca inchaço. De fato, o inchaço da composição de asfalto de acordo com a presente invenção é menor do que o inchaço do asfalto betuminoso convencional. O inchaço das composições de asfalto de acordo com a presente invenção foi determinado antes e depois da impregnação a vácuo. As composições de asfalto de acordo com a presente invenção têm, adequadamente, um inchaço de no máximo 1,0%, conforme determinado de acordo com a EN 12697-12, preferivelmente no máximo 0,5%.

[0046] Como indicado acima, os materiais aglutinantes que compreendem betume e huminas possuem propriedades vantajosas. Consequentemente, a presente invenção também provê material aglutinante para uso em composições de asfalto compreendendo de 1 a 95% em peso, preferivelmente de 5 a 60% em peso de huminas, com base no peso do material aglutinante. O outro componente ou componentes no material aglutinante pode ser selecionado de todos os materiais aglutinantes convencionais. De um modo preferido, o material aglutinante compreende ainda de 99 a 5% em peso, de um modo preferido, de 95 a 40% em peso de betume, com base no peso do material aglutinante. O betume pode ser um grau de betume relativamente duro. Também é possível usar o betume recuperado. É também possível usar betume modificado com polímero como descrito acima. A fim de aumentar a sustentabilidade do material aglutinante, ele também pode conter lignina. A lignina pode ser em vez de betume ou em adição ao betume. O teor de lignina em tal material aglutinante é preferencialmente de 0,5 a 60% em peso, preferivelmente de 1 a 20% em peso, com base no peso das huminas, betume e lignina no material aglutinante.

[0047] A presente invenção também provê o uso de huminas na fabricação de material aglutinante para composições de asfalto. Provê ainda o uso de huminas como material aglutinante em composições de asfalto.

[0048] A invenção será ainda ilustrada por meio dos exemplos seguintes.

EXEMPLO 1

[0049] Duas composições de asfalto de graduação aberta foram preparadas misturando 16% em peso ou 33% de huminas com um grau de betume 40/60 para obter um material aglutinante. As huminas foram obtidas durante a desidratação da glicose em metanol. Os humins tinham uma penetração de 50 dmm. O material aglutinante foi misturado com agregados grossos, agregados finos (areia) e enchimento, ver hidróxido de cálcio em quantidades indicadas na Tabela 1. Por razões de comparação foram preparadas composições de asfalto semelhantes usando apenas betume (de grau 70/100) e usando uma mistura de 50/50 m/m de betume e lignina. As misturas agregadas para todas as quatro composições de asfalto continham 85 partes em peso (p/p) de agregados grossos, 11 p/p de agregados finos e 4 p/p de hidróxido de cálcio. Foram misturados 100 p/p desta mistura de agregados com 4,5 p/p de material aglutinante.

[0050] As quatro composições obtidas foram submetidas ao teste de resistência à tração indireta de acordo com EN 12697-12 em triplicata. A durabilidade e resistência das fatias destas quatro composições de asfalto foram determinadas pelo teste de resistência à tração indireta antes e depois da exposição à água. A mudança da resistência à tração indireta é verificada a partir de seis amostras: três amostras secas e três amostras que foram expostas à água. Durante o teste de resistência à tração indireta, a amostra é fixada entre duas tiras de carga e é carregada radialmente a uma velocidade de 50mm/min. A carga máxima na fratura é medida. A relação dos valores de resistência antes e após o armazenamento da água é determinada e denominada Razão de Resistência à Tração Indireta (ITSR). Os valores médios das três medidas de resistência à tração indireta (ITS) e a ITSR dos valores médios são apresentados na Tabela 1.

[0051] Além disso, o inchaço das composições foi medido também usando EN 12697-12, onde as medições foram feitas antes e após a impregnação a vácuo. TABELA 1

[0052] Estes resultados mostram que quando as composições de asfalto contendo humina de acordo com a invenção são aplicadas como composições de asfalto de graduação aberta, a resistência à tração indireta das composições de asfalto de graduação aberta é muito melhor do que a resistência das composições de asfalto convencionais à base de betume ou composições de asfalto contendo lignina. Os valores de ITSR estão na mesma ordem de grandeza. O inchaço da composição e asfalto contendo humina é significativamente melhor do que o comportamento de inchaço do asfalto convencional compreendendo betume como material aglutinante único, e comparável ao inchaço da composição de asfalto contendo lignina.

EXEMPLO 2

[0053] Os materiais aglutinantes que foram usados para as quatro composições do Exemplo 1 foram também usados para a fabricação de asfalto de mastique de pedra. Asfalto de mastique de pedra (SMA) normalmente tem um teor mais alto de material aglutinante do que asfalto de graduação aberta. O teor dos vários componentes nas quatro composições de SMA foi o seguinte: 71% em peso de agregados grossos, 15% em peso de agregados finos, 7,5% em peso de material de enchimento de carbonato de cálcio e 6,5% em peso de material aglutinante.

[0054] As quatro composições de SMA foram submetidas aos mesmos testes que os descritos no Exemplo 1. Os resultados são apresentados na Tabela 2. TABELA 2

[0055] Estes resultados mostram que as composições de asfalto de acordo com a presente invenção são perfeitamente adequadas como composições de SMA. A resistência dessas composições é impressionante, tanto antes quanto depois da exposição à água. Também o comportamento de inchaço é melhorado em comparação com a composição convencional de asfalto compreendendo betume da Composição 7.

Claims (21)

1. Composição de asfalto compreendendo agregados e um material aglutinante, caracterizada pelo fato de que o material aglutinante compreende huminas, as quais huminas compreendem subprodutos carbonáceos insolúveis em água da desidratação de carboidratos e/ou 5- hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5-hidroximetilfurfural.

2. Composição de asfalto de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as huminas compreendem subprodutos carbonáceos insolúveis em água da desidratação de carboidratos na presença de um álcool.

3. Composição de asfalto de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que as huminas compreendem uma rede de anéis de furano ligados por ligações éter e acetal.

4. Composição de asfalto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o material aglutinante compreende de 5 a 80% em peso de huminas, com base no peso do material aglutinante.

5. Composição de asfalto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o material aglutinante compreende betume, além de huminas.

6. Composição de asfalto de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o betume é selecionado entre os graus 20/30, 30/45, 35/50, 40/50, 40/60, 50/70 e 60/70.

7. Composição de asfalto de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada pelo fato de que o material aglutinante compreende de 1 a 90% em peso de betume, com base na quantidade de huminas e betume.

8. Composição de asfalto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que o material aglutinante compreende lignina, além de huminas.

9. Composição de asfalto de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a razão em peso de huminas para lignina é no máximo 1:2.

10. Composição de asfalto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que a composição de asfalto compreende um ou mais aditivos.

11. Composição de asfalto de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o aditivo foi selecionado do grupo que consiste de polímeros, agentes rejuvenescedores, promotores de adesão, cal, hidróxido de cálcio, aditivos antidrenagem, corantes, zeólitos naturais, zeólitos sintéticos, emulsificantes, estabilizadores, antioxidantes e misturas de qualquer destes compostos.

12. Composição de asfalto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que os agregados compreendem agregados com um diâmetro de no máximo 2 mm.

13. Composição de asfalto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que tem uma resistência à tração indireta de pelo menos 1,5 MPa, conforme determinado de acordo com a EN 12697-12.

14. Composição de asfalto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada pelo fato de que possui uma razão de resistência à tração indireta de pelo menos 0,75.

15. Material aglutinante para uso em composições de asfalto, caracterizado pelo fato de que compreende de 1 a 95% em peso de huminas, com base no peso do material aglutinante, em que tais huminas compreendem subprodutos carbonáceos insolúveis em água da desidratação de carboidratos e/ou 5-hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5-hidroximetilfurfural.

16. Material aglutinante de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende de 5 a 60% em peso de huminas, com base no peso do material aglutinante.

17. Material aglutinante de acordo com a reivindicação 15 ou 16, caracterizado pelo fato de que compreende 99 a 5% em peso de betume, com base no peso do material aglutinante.

18. Material aglutinante de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende de 95 a 50% em peso de betume, com base no peso do material aglutinante.

19. Material aglutinante de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 18, caracterizado pelo fato de que compreende ainda lignina.

20. Uso de huminas na fabricação de material aglutinante para composições de asfalto, caracterizado pelo fato de que tais huminas compreendem subprodutos carbonáceos insolúveis em água da desidratação de carboidratos e/ou 5-hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5- hidroximetilfurfural.

21. Uso de huminas como material aglutinante em composições de asfalto, caracterizado pelo fato de que tais huminas compreendem subprodutos carbonáceos insolúveis em água da desidratação de carboidratos e/ou 5-hidroximetilfurfural e/ou éteres ou ésteres de 5- hidroximetilfurfural.