Universidade do Minho Escola de Engenharia. Sofia Gonçalves Pereira

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1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Sofia Gonçalves Pereira Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Setembro de 2016

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3 Universidade do Minho Escola de Engenharia Sofia Gonçalves Pereira Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Civil Trabalho efetuado sob a orientação de Professor Doutor Hugo Manuel Ribeiro Dias da Silva Setembro de 2016

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5 AGRADECIMENTOS Esta dissertação de mestrado do Mestrado Integrado em Engenharia Civil da Universidade do Minho foi elaborada sob orientação do Doutor Hugo Manuel Ribeiro Dias da Silva, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Civil, e a sua execução só foi possível devido a um conjunto de meios disponibilizados bem como o apoio e dedicação de vários intervenientes, a quem gostaria de expressar os meus mais sinceros e sentidos agradecimentos. Ao Doutor Hugo Silva expresso o meu enorme agradecimento por todo o apoio, motivação e orientação prestada ao longo do desenvolvimento do trabalho. Agradeço toda a disponibilidade, interesse e conhecimentos transmitidos, o que só enriqueceu mais este estudo. Ao Engenheiro Carlos Palha, responsável do Laboratório de Vias de Comunicação da Universidade do Minho, agradeço todos os conselhos e ensinamentos prestados bem como toda a ajuda concedida ao longo do trabalho. Agradeço, também, pela paciência e dedicação demonstradas. Ao Engenheiro Hélder Torres, técnico do Laboratório de Vias de Comunicação da Universidade do Minho, expresso o meu agradecimento por todo o apoio, ajuda e troca de ideias ao longo destes meses de trabalho. À Engenheira Sara Fernandes por toda a disponibilidade e por toda a ajuda preciosa demonstradas, pelos conselhos e apoio, obrigada. Aos meus pais e irmã, pela compreensão, carinho e paciência e em especial ao meu pai que, mesmo estando longe, nunca deixou de me apoiar e auxiliar nos momentos menos bons. A eles, que sempre acreditaram em mim, um enorme obrigado por tudo. Ao Duarte, pelo apoio e carinho incondicional e por olhar por mim. Aos meus amigos pela presença, por todos os bons momentos e por todo o incentivo ao longo desta grande e inesquecível jornada. iii

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7 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio RESUMO Nos dias de hoje, a modificação de betumes é um dos processos essenciais no que diz respeito à melhoria das diversas propriedades do betume e do seu desempenho na pavimentação rodoviária. De facto, esta é uma das soluções mais utilizadas na pavimentação, sobretudo em países com climas quentes, uma vez que permite minimizar diversos problemas, tais como o fendilhamento, o envelhecimento do betume, a deformação permanente e a suscetibilidade térmica. No entanto, o comportamento mais complexo destes betumes obriga a uma caracterização dos mesmos recorrendo a ensaios menos convencionais. Nesse sentido, o principal objetivo deste estudo é a avaliação da recuperação elástica de diferentes betumes modificados em laboratório, e a sua comparação com um betume modificado comercial (Elaster 13/60), através de alguns ensaios apropriados para avaliar esta propriedade tão relevante dos betumes modificados. Os métodos de ensaio utilizados foram o ensaio de recuperação elástica com o auxílio de um ductilómetro, o ensaio de resiliência e o ensaio de fluência e relaxamento com diferentes níveis de tensão (MSCR). Os polímeros utilizados na modificação de betumes foram o estireno-butadieno-estireno (SBS), o polietileno de alta densidade (PEAD), a borracha reciclada de pneus usados, em conjugação com óleo de motor usado, utilizando-se ainda ácido polifosfórico (PPA). Em termos de conclusão, é possível afirmar que o polímero SBS é o mais adequado no processo de modificação de betumes pois garante um adequado desempenho do pavimento, tanto a nível funcional como estrutural, uma vez que este polímero possui a melhor recuperação elástica em relação aos restantes betumes em estudo. Por outro lado, o ácido polifosfórico é o menos adequado para a modificação de betumes, no que diz respeito à sua recuperação elástica, pois este aumenta significativamente a elasticidade do betume prejudicando a sua recuperação. Palavras-Chave: Modificação de betumes Polímeros Recuperação elástica Ductilómetro Ensaios de desempenho v

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9 Evaluation of the Elastic Recovery of Modified Binders with Different Test Methods ABSTRACT Nowadays, bitumen modification is one of the essential processes regarding the improvement of various bitumen properties and their performance in road paving. In fact, this is one of the most commonly used solutions in paving, especially in countries with warm climates because it minimizes several problems, like for example, cracking, bitumen aging, permanent deformation and thermal susceptibility. However, the more complex behavior of these bitumens requires their characterization to be done by using less conventional tests. Because of this, the principal aim of this study is the evaluation of the elastic recovery of different modified bitumen in laboratory, and their comparison to a commercially modified bitumen (Elaster 13/60) using some suitable tests to evaluate this relevant property of modified bitumen. The test methods used were the elastic recovery test, with a ductilometer; the resilience test and the multiple stress creep recovery test (MSCR). The polymers used in the bitumen modification were styrene-butadiene-styrene (SBS), high density polyethylene (PEAD), recycled rubber from used tires, in conjunction with used motor oil, and the polyphosphoric acid (PPA). In conclusion, it is possible to verify that the SBS polymer is the most suitable in bitumen modification process because it ensures an adequate pavement performance at a functional and structural level since it this polymer has the best elastic recovery compared to the other bitumens studied. On the other hand, regarding the elastic recovery, the polyphosphoric acid is the less suitable for the bitumen modification, because it significantly increases the bitumen elasticity, impairing its recovery. Keywords: Bitumen modification Polymers Elastic recovery Ductilometer Performance tests vii

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11 ÍNDICE 1 INTRODUÇÃO Enquadramento temático Objetivos Conteúdo da dissertação ESTADO DA ARTE SOBRE LIGANTES MODIFICADOS E RESPETIVA CARACTERIZAÇÃO DE DESEMPENHO Introdução Características do betume Características das misturas betuminosas Polímeros Modificação de betumes com polímeros Modificação de betume com borracha reciclada de pneus Modificação de betume com o polímero SBS Modificação de betume com o polímero PEAD Modificação de betume com o polímero EVA Modificação de betume com ácido polifosfórico Modificação de betume com óleo de motor usado Recuperação elástica de betumes modificados Comportamento reológico de betumes modificados Reologia de betumes Reologia de betumes modificados com SBS, EVA e betume borracha ADAPTAÇÃO DE UM DUCTILÓMETRO BASE PARA UM DUCTILÓMETRO AVANÇADO Introdução Ductilómetro base Melhorias no ductilómetro base Aplicação de peças adicionais para melhoria do ductilómetro Desenvolvimento de aplicação informática para o ensaio Calibração das células de carga ix

12 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Colocação de um sistema de refrigeração Ductilómetro avançado para fins de investigação MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS Introdução Materiais Preparação dos betumes modificados em laboratório Caracterização básica dos betumes modificados Ensaio de penetração a 25 ºC Ensaio de resiliência Ensaio de determinação do ponto de amolecimento Ensaio de viscosidade rotacional Caracterização avançada dos betumes modificados Ensaio de reologia Ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) Avaliação da recuperação elástica Ensaio realizado no ductilómetro Ensaio de resiliência Ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) Caracterização da energia de deformação ANÁLISE DE RESULTADOS Introdução Caracterização básica dos betumes modificados Ensaio de penetração a 25 ºC Ensaio de resiliência Ensaio de determinação do ponto de amolecimento Ensaio de viscosidade rotacional Caracterização avançada dos betumes modificados Ensaio de reologia Ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) Avaliação da recuperação elástica Ensaio realizado no ductilómetro Análise comparativa dos ensaios: ductilómetro e resiliência x

13 Índice Ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) Caracterização da energia de deformação CONSIDERAÇÕES FINAIS E PERSPETIVAS FUTURAS Conclusões Trabalhos futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS xi

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15 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Composição do betume (Textos Científicos, 2008)... 6 Figura 2 - Separação química do betume (Pamplona, 2013)... 7 Figura 3 - Representação da estrutura química dos polímeros sintéticos (De Paoli, 2009) Figura 4 - Ordenação das misturas à deformação permanente (Pestana et al., 2006) Figura 5 - Estrutura do copolímero SBS (Bringel, 2007) Figura 6 - Esquema da estrutura dos diferentes tipos de SBS (Leite, 1999) Figura 7 - Estrutura do copolímero EVA (Bringel, 2007) Figura 8 - Ductilómetro base Figura 9 - Peça de suporte das células de carga Figura 10 - Encoder utilizado no ductilómetro Figura 11 - Regulador de potência utilizado no ductilómetro Figura 12 - Versão final do software para os ensaios no ductilómetro Figura 13 - Configuração de ponte de Wheatstone (Agilent Technologies, 2012) Figura 14 - Células de carga aplicadas no ductilómetro Figura 15 - Aplicação das diversas cargas para calibração das células de carga Figura 16 - Representação da reta de calibração para uma célula de carga Figura 17 - Sistema de refrigeração: a) Compressor de frio e reservatório de água e b) Tubos e serpentina no ductilómetro Figura 18 - Ductilómetro avançado: a) Constituição final do ductilómetro e b) Versão final do software com registo visual durante realização dum ensaio Figura 19 - Óleo de motor usado Figura 20 - Polímeros granulares utilizados na modificação de betumes: a) estirenobutadieno-estireno (SBS) e b) polietileno de alta densidade (PEAD) Figura 21 - Borracha reciclada de pneus usados aplicada na modificação de betumes Figura 22 - Ácido polifosfórico (PPA) utilizado na modificação de betumes Figura 23 - Preparação dos ligantes: a) Misturador de alto corte; b) Misturador de baixa rotação e c) Equipamento geral de preparação Figura 24 - Ensaio de penetração a 25 ºC Figura 25 - Ensaio de resiliência Figura 26 - Ensaio de ponto de amolecimento Figura 27 - Ensaio de viscosidade rotacional xiii

16 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Figura 28 - Reómetro AR-G2 utilizado no ensaio de reologia Figura 29 - Ensaio de fluência e relaxamento Figura 30 - Preparação do molde: a) Agente de libertação utilizado e b) Molde revestido Figura 31 - Preparação da amostra: a) Enchimento do molde e b) Amostra a ser rasada Figura 32 - Amostras de betume no ductilómetro durante o ensaio Figura 33 - Amostras de betume após recuperação elástica Figura 34 - Molde para o ensaio da energia de deformação Figura 35 - a) Amostras moldadas antes do ensaio e b) Amostras a serem tracionadas durante ensaio Figura 36 - Penetração a 25 ºC dos betumes modificados Figura 37 - Resiliência dos betumes modificados Figura 38 - Temperatura de amolecimento dos betumes modificados Figura 39 - Viscosidade dos betumes modificados Figura 40 - Módulo elástico dos betumes modificados em estudo Figura 41 - Módulo viscoso dos betumes modificados em estudo Figura 42 - Deformação não recuperada (indicador de deformação permanente) dos betumes em estudo a 64 ºC Figura 43 Amostras de betume modificado com o polímero SBS durante recuperação elástica a 25 ºC Figura 44 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado de controlo Figura 45 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A Figura 46 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A Figura 47 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A Figura 48 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado B Figura 49 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado B Figura 50 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado C Figura 51 a) Força das 3 amostras e b) força média do modificado betume D Figura 52 Recuperação elástica a 25 ºC dos diversos betumes modificados Figura 53 Betume de controlo após recuperação elástica a 10 ºC Figura 54 Recuperação elástica do betume de controlo para diferentes condições de ensaio Figura 55 - Recuperação elástica dos betumes em estudo a 64 ºC Figura 56 - Amostras do betume de controlo durante o ensaio xiv

17 Lista de Figuras Figura 57 - a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado do controlo Figura 58 - a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A Figura 59 - a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A Figura 60 - Amostras de betume modificado D após ensaio a 5 ºC Figura 61 - a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado D Figura 62 - Amostra do betume modificado D durante ensaio Figura 63 - Energia de deformação dos betumes modificados Figura 64 - Energia de deformação do betume de controlo a 5 ºC com a velocidade variável Figura 65 - Energia de deformação do betume de controlo a 50 mm/min com a temperatura variável xv

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19 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Composição química do betume (Read e Whiteoak, 2003)... 7 Tabela 2 - Identificação dos diversos betumes modificados estudados neste trabalho Tabela 3 Resultados da recuperação elástica do betume modificado de controlo Tabela 4 Resultados da recuperação elástica do betume modificado A Tabela 5 Resultados da recuperação elástica do betume modificado A Tabela 6 Resultados da recuperação elástica do betume modificado A Tabela 7 Resultados da recuperação elástica do betume modificado B Tabela 8 Resultados da recuperação elástica do betume modificado B Tabela 9 Resultados da recuperação elástica do betume modificado C Tabela 10 Resultados da recuperação elástica do betume modificado D Tabela 11 Resultados da recuperação elástica do betume de controlo a 10 ºC e 50 mm/min Tabela 12 Resultados da recuperação elástica do betume de controlo a 40 mm/min e a 25 ºC Tabela 13 - Resultados do ensaio da energia de deformação para o betume de controlo Tabela 14 - Resultados do ensaio da energia de deformação para o betume modificado A Tabela 15 - Resultados do ensaio da energia de deformação para o betume modificado A Tabela 16 - Resultados do ensaio da energia de deformação para o betume modificado D xvii

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21 1 INTRODUÇÃO 1.1 Enquadramento temático O tema da dissertação em estudo incide, essencialmente, na avaliação da recuperação elástica de diferentes betumes modificados. Esta importante propriedade dos betumes modificados mostra a sua resposta elástica após aplicação de cargas, e é a capacidade do betume de recuperar a sua dimensão após ter sofrido uma deformação, proporcionada por esforços de tração, compressão ou torção, a uma determinada temperatura. Ou seja, representa a distância, em milímetros, da recuperação que a amostra de betume apresenta após ter sido alongada, comprimida ou sujeita a deformações de torção. A importância do estudo da propriedade referente à recuperação elástica deve ser salientada, uma vez que uma considerável recuperação elástica permite uma maior resistência às deformações permanentes contribuindo para um maior conforto e segurança rodoviária, em especial em condições climáticas ou de tráfego mais exigentes. Numa tentativa de otimizar o desempenho, funcional e estrutural, dos pavimentos e retardar o aparecimento de degradações têm sido desenvolvidas diversas soluções, nomeadamente recorrendo ao desenvolvimento de betumes modificados através da adição de materiais poliméricos naturais (hidratos de carbono, proteínas) ou sintéticos (SBS, EVA, polietileno, borracha, PVC), ou de outros aditivos, dos quais se destaca o ácido polifosfórico (PPA). Nos dias de hoje, a modificação do betume através de polímeros tem sido uma solução muito procurada com o objetivo de melhorar as propriedades do betume a nível de suscetibilidade térmica, e de resistência à fadiga, às deformações permanentes e ao envelhecimento. O polímero SBS tem como característica principal a sua alta resposta elástica, resistindo positivamente à deformação permanente por alongamento. Deste modo, é um dos mais recomendados quanto à resistência às deformações permanentes (Bringel et al., 2006). Atualmente também se propõe a incorporação de borracha reciclada de pneus, como aditivo, com a finalidade de melhorar as propriedades do ligante e minimizar o impacto ambiental. Os trabalhos desenvolvidos comprovaram a melhoria nas propriedades dos materiais, depois de incorporados estes agentes modificadores no betume (Rosa et al., 2012). 1

22 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Neste contexto, o uso de betume modificado com borracha (designado por BMB ou apenas BB) tem sido adotado em vários países. Verifica-se que a mistura do granulado de borracha com o betume reduz a suscetibilidade térmica do betume base, e melhora a viscoelasticidade e a ductilidade do betume. As propriedades elásticas das misturas betuminosas resultantes também são melhoradas, mais concretamente, a resistência às tensões de tração e a capacidade de recuperação de deformações, quer a baixas ou altas temperaturas. Esta melhoria das propriedades elásticas do BMB reflete-se positivamente na sua resistência ao fendilhamento e às deformações permanentes, apresentando grande viscosidade a altas temperaturas e boa flexibilidade a baixas temperaturas (Minhoto et al., 2002). No que diz respeito à aplicação do ácido polifosfórico (PPA) para a modificação de ligantes, este é um dos produtos modernos mais promissores para a modificação de ligantes (Baumgardner et al., 2005), uma vez que a sua adição aumenta a rigidez, a elasticidade e a recuperação elástica do betume (Pamplona, 2013). Assim sendo, considerou-se pertinente estudar a modificação de betumes, recorrendo para isso a vários aditivos, e procedendo ao estudo pormenorizado da sua recuperação elástica, para conhecer ainda melhor o comportamento destes materiais mais complexos ao serem ensaiados em diferentes configurações de carga. No final, este trabalho permitirá selecionar materiais mais adequados para utilização em pavimentos com melhor qualidade e desempenho. 1.2 Objetivos Este trabalho apresenta, como objetivo geral, o estudo pormenorizado da recuperação elástica de vários betumes modificados, recorrendo a diferentes métodos de ensaio realizados em configurações significativamente diferentes. Estes métodos consistem no ensaio de recuperação elástica por meio de um ductilómetro, no ensaio de resiliência e no ensaio de fluência e relaxamento com diferentes níveis de tensão (MSCR). Para além disso, pretende estabelecer-se possíveis relações entre os diferentes métodos de ensaio utilizados. A obtenção recente dum ductilómetro permitiu determinar esta importante propriedade dos betumes modificados, entre outras, num ensaio de tração efetuado a diversas temperaturas e velocidades de aplicação de carga. Este equipamento permite ainda determinar outras 2

23 Introdução propriedades que podem ser relacionadas com as propriedades reológicas avaliadas no ensaio MSCR e com a resiliência desses betumes avaliada no ensaio de resiliência. Este estudo vai, portanto, basear-se na realização de diferentes métodos de ensaio avançados, uma vez que o estudo de betumes modificados deve ser realizado com ensaios que permitam a determinação de propriedades adicionais relacionadas com o seu desempenho, para além das propriedades básicas dos betumes obtidas nos ensaios de penetração, resiliência, determinação do ponto de amolecimento (pelo método do anel e bola) e viscosidade dinâmica. Posto isto, neste trabalho efetuou-se o estudo dum betume convencional 35/50 modificado com óleo de motor usado, uma vez que este permite minimizar a quantidade necessária de betume convencional para aplicação rodoviária, e diferentes polímeros (estireno-butadieno-estireno, polietileno de alta densidade, borracha reciclada de pneus) e, também, o estudo dum betume convencional 50/70 modificado apenas com ácido polifosfórico, e comparou-se o desempenho destes betumes modificados em laboratório com o observado num betume modificado comercial (Elaster). 1.3 Conteúdo da dissertação A presente dissertação encontra-se organizada em seis capítulos, na qual se insere o atual capítulo correspondente à introdução da dissertação. No capítulo 2 apresenta-se o estado da arte do tema em estudo que abrange diversas temáticas, nomeadamente, conceitos sobre as características e aplicação das misturas betuminosas, sobre os betumes, e sobre as vantagens e desvantagens de cada modificador. É elaborada uma visão geral da investigação que tem sido desenvolvida no âmbito dos betumes modificados, atualmente, salientando-se as características fundamentais dos polímeros utilizados como modificadores no presente trabalho e respetiva recuperação elástica. Ainda neste capítulo é abordado um estudo reológico e mecânico de betumes relativamente aos polímeros SBS, EVA e borracha reciclada de modo a aprofundar um pouco mais esse tema. O capítulo 3 apresenta todo o processo de evolução a que o ductilómetro base (equipamento no seu estado inicial) esteve submetido até se obter o resultado final desejado: um ductilómetro avançado que permitiu realizar ensaios onde a velocidade e temperatura se tornaram em 3

24 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio parâmetros possíveis de controlar, conforme pretendido. O desenvolvimento do ductilómetro mais avançado também incluiu a aplicação e calibração de células de carga para medição dos níveis de carga durante o ensaio. Todos estes passos foram fundamentais para se conseguir realizar diversos ensaios apresentados nos restantes capítulos desta dissertação. O capítulo 4 refere-se aos materiais e métodos experimentais e apresenta uma breve descrição dos materiais utilizados no estudo bem como dos diversos métodos experimentais que incluem os métodos de ensaio de caracterização de betumes, os ensaios para efetuar a avaliação da recuperação elástica e, também, os procedimentos de produção dos ligantes modificados. No capítulo 5 insere-se a análise de resultados onde é efetuada uma respetiva análise dos resultados obtidos nas diversas etapas descritas no capítulo anterior. Estes resultados permitem responder aos objetivos deste trabalho, demonstrando o desempenho dos vários betumes modificados, em especial no que diz respeito à sua recuperação elástica, de onde resultaram as principais conclusões deste trabalho. No último capítulo, capítulo 6, apresentam-se as considerações finais e perspetivas futuras. Como o próprio nome indica, neste capítulo abordam-se as principais conclusões do presente estudo assim como os trabalhos futuros que poderão ser desenvolvidos de modo a aprofundar e a melhorar o tema desta dissertação, dando continuidade ao trabalho de investigação. 4

25 2 ESTADO DA ARTE SOBRE LIGANTES MODIFICADOS E RESPETIVA CARACTERIZAÇÃO DE DESEMPENHO 2.1 Introdução A nível rodoviário, Portugal possui uma das melhores redes de autoestradas mundial, contudo, o aumento do tráfego rodoviário durante as últimas décadas, em combinação com uma insuficiente manutenção devido à escassez de fundos, causou uma deterioração acelerada e contínua da rede rodoviária. Para aliviar este fenómeno, vários tipos de medidas podem ser eficazes, como por exemplo, a obtenção de fundos para a manutenção, a melhoria da conceção de estradas, a utilização de materiais de melhor qualidade e a utilização de métodos de construção mais eficazes. Nesse sentido, atualmente, a incorporação de alguns modificadores ou aditivos, nos betumes, tais como polímeros (borracha, estireno-butadieno-estireno, etileno acetato de vinilo, polietileno de alta densidade), ácido polifosfórico (PPA) e óleo de motor usado, entre outros, tem sido alvo de estudo de modo a obter melhorias nas propriedades e características dos próprios betumes. Dessa forma, pretende-se em última instância produzir misturas betuminosas modificadas com o intuito de melhorar a qualidade da mistura, tanto a nível funcional como estrutural, proporcionando uma maior resistência às deformações permanentes e uma redução nas degradações dos pavimentos rodoviários. Para enquadrar estas temáticas, apresenta-se em seguida a revisão bibliográfica realizada sobre betumes, misturas betuminosas, os vários modificadores do betume, sobre o betume modificado e sobre o seu comportamento. 2.2 Características do betume O betume obtém-se por destilação do petróleo bruto: as frações mais leves permanecem no estado de vapor e as frações mais pesadas são extraídas sob a forma de resíduo, que é o betume. O betume é um material termoplástico e tem limitações importantes devido à sua sensibilidade à temperatura (Nayler, 2001). 5

26 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio A nível funcional, o betume permite assegurar a ligação entre os agregados, garantir a flexibilidade, assegurar impermeabilidade e durabilidade e conferir trabalhabilidade à mistura betuminosa. No que diz respeito à composição, os betumes são uma mistura de hidrocarbonetos de peso molecular elevado, que apresentam comportamento viscoelástico, e têm cor preta. Os principais componentes do betume são o carbono, hidrogénio e, em muito menor proporção, oxigénio, nitrogénio, azoto e metais pesados, como o níquel e vanádio (CEPSA, 2010). O betume é caracterizado como um sistema coloidal, ou seja, é composto por uma substância sólida e uma líquida, apresentando uma dispersão de micelas de elevado peso molecular, os asfaltenos, insolúveis em heptano normal e que constituem a fase descontínua do betume, dispersos num meio contínuo de menor peso molecular, os maltenos, solúveis em heptano normal que constituem a fase contínua, como se pode observar pela Figura 1. Quanto maior for a quantidade de asfaltenos, mais duro será o betume (Textos Científicos, 2008). Figura 1 - Composição do betume (Textos Científicos, 2008) Devido à complexidade de sua composição química foram elaborados diversos métodos de separação das frações do betume, cujo método mais utilizado é o do químico Corbett, o qual refere que o betume é um material formado basicamente por quatro frações: asfaltenos, saturados, aromáticos e resinas, conhecidas como frações SARA. Os asfaltenos constituem a fração asfáltica, fração mais pesada e polar, e são corpos sólidos, amorfos, de cor preta e constituem cerca de 5 a 25 % do betume. Os maltenos representam a parte mais leve do betume e podem ser saturados, aromáticos e resinas. Na Figura 2 é possível observar a separação química do betume (Pamplona, 2013). 6

27 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho Figura 2 - Separação química do betume (Pamplona, 2013) Os saturados são óleos viscosos de cor clara e constituem cerca de 5 a 20 % do betume. Os aromáticos são líquidos viscosos, de cor castanha, capazes de dissolver outras moléculas hidrocarbonadas de elevado peso molecular e constituem cerca de 40 a 65 % do betume. As resinas são sólidas ou semissólidas, de cor castanho-escuro e apresentam uma elevada polaridade, tornando-as muito adesivas. São a primeira fração que adere aos agregados (Nayler, 2001, Read e Whiteoak, 2003). Segundo Read e Whiteoak (2003), em termos médios, os betumes têm a composição química apresentada na Tabela 1. Tabela 1 - Composição química do betume (Read e Whiteoak, 2003) Composto Percentagem Carbono % Hidrogénio 8 11 % Enxofre 0 6 % Oxigénio 0 2 % Nitrogénio 0 1 % Quanto à aplicação, em pavimentação rodoviária, o betume é o ligante mais usado e aplica-se principalmente para dar coesão e flexibilidade à mistura, utilizando o seu poder aglomerante para unir as partículas dos agregados, podendo assim resistir aos esforços produzidos pelo tráfego, sem sofrer desagregação nem deformações permanentes (CEPSA, 2010). 7

28 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Então, os betumes são usados na indústria da construção de estradas, devido às suas propriedades de impermeabilização e de ligação. A fim de melhorar as propriedades relevantes para estas aplicações, foram estudadas várias formas de modificação de betumes que se enquadram nas seguintes categorias: i) modificação química; ii) mistura com outros materiais aglutinantes; iii) incorporação de materiais poliméricos. Devido às diferenças climáticas em todo o mundo, as propriedades requeridas para estes betumes modificados podem variar de país para país e de região para região (Nayler, 2001), o que será descrito posteriormente mais em pormenor. 2.3 Características das misturas betuminosas Embora o principal objeto de estudo nesta dissertação seja o betume e a sua modificação, também se considerou pertinente abordar de forma sucinta as características das misturas betuminosas onde se pretende que os betumes estudados sejam utilizados. As misturas betuminosas são compostas por uma mistura de partículas de agregados, cujos tamanhos variam de 0 e D (mm) e um ligante betuminoso, usualmente o betume. A mistura final, após compactação e arrefecimento, apresenta determinadas características volumétricas, mecânicas, funcionais e de desempenho (Alves, 2011), e podem ser utilizados aditivos para aumentar esse desempenho. As misturas betuminosas são, geralmente, aplicadas em pavimentos rodoviários e aeroportos durante a sua construção e reabilitação. Assim, têm como função essencial assegurar uma superfície de rolamento que permita a circulação dos veículos com comodidade e segurança sob a ação do tráfego e das condições climáticas, devendo garantir que durante a sua vida útil não ocorrem danos que comprometam as suas condições de serviço (Mendes, 2011). Por forma a proporcionar, ao pavimento rodoviário, excelente desempenho funcional e estrutural e para que as misturas betuminosas se comportem de forma adequada, durante a construção e após a entrada em funcionamento do pavimento, as misturas betuminosas devem apresentar as seguintes características fundamentais (Branco et al., 2005): Estabilidade; Durabilidade; Flexibilidade; 8

29 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho Resistência à fadiga; Aderência; Impermeabilidade; Trabalhabilidade. A estabilidade é a capacidade para resistir às deformações permanentes produzidas pelas cargas, em determinadas condições de aplicação. A resistência depende, essencialmente, da fricção interna dos materiais (granulometria dos agregados, da forma das partículas, da densidade da mistura e da quantidade e tipo de betume) e da sua coesão. Quando a mistura é sujeita a cargas rápidas e a temperaturas reduzidas existe alguma contribuição do betume, enquanto para cargas lentas e temperaturas elevadas a principal contribuição é devida à composição do agregado. A durabilidade é a resistência à desagregação causada pelas condições climáticas e pela solicitação do tráfego, ou seja, é a resistência ao fendilhamento a baixas temperaturas. Quanto maior for a quantidade de betume, maior será a durabilidade da mistura. A flexibilidade é a capacidade da mistura se adaptar gradualmente aos movimentos do seu suporte, ou seja, é necessário garantir uma flexibilidade que permita a adaptação das camadas betuminosas a assentamentos graduais observados nas camadas inferiores, sem que se verifique o aparecimento de fendilhamento (Branco et al., 2005). A resistência à fadiga das misturas betuminosas é a capacidade que elas apresentam para resistir a esforços de flexão repetidos sem atingir a rotura. A passagem repetida das cargas do tráfego provoca um fenómeno de fadiga das misturas betuminosas que origina o fendilhamento das misturas betuminosas e consequentemente dos pavimentos. Este fendilhamento por fadiga é um dos principais mecanismos de ruína dos pavimentos e manifesta-se pelo aparecimento de fendas provocadas pelas cargas do tráfego (Pais e Palha, 2010). A utilização de maiores quantidades de betume ou a sua modificação aumenta a resistência das misturas a este fenómeno. A aderência da camada superficial de um pavimento rodoviário corresponde à sua capacidade para mobilizar o atrito entre os pneus dos veículos e a superfície do pavimento e é um requisito de extrema importância uma vez que influencia a segurança rodoviária, principalmente em situações de travagem, aceleração e circulação em curva. Assim, para garantir uma adequada 9

30 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio aderência não é aconselhável utilizar betume em excesso. Para garantir maior segurança na chuva deve-se utilizar uma macrotextura elevada (profundidade da textura superficial) uma vez que esta facilita o escoamento das águas reduzindo o risco de hidroplanagem. A impermeabilidade é a resistência à passagem de água e do ar através das camadas do pavimento permitindo, assim, a proteção das camadas adjacentes. Deve-se reduzir a interligação dos vazios e o seu contacto com a superfície do pavimento. Por último, a trabalhabilidade é a facilidade de aplicação e compactação da mistura bem como das operações de fabrico e transporte. A utilização de maiores percentagens de betume aumenta a impermeabilidade e a trabalhabilidade das misturas. Por vezes, a procura de uma maior estabilidade dificulta a trabalhabilidade (Branco et al., 2005). 2.4 Polímeros A palavra polímero vem do grego poli (muitos) e meros (partes). Um polímero é uma macromolécula, molécula de elevado tamanho, formada pela repetição de pequenas e simples unidades químicas, designadas de monómeros, ligadas por meio de ligações covalentes (Quental et al., 2005). Hoje em dia, os materiais poliméricos (plásticos, borrachas, fibras, resinas, entre outros), cujo constituinte principal é o polímero, são essenciais para a manutenção da nossa qualidade de vida, uma vez que existe uma enorme quantidade de produtos produzidos a partir destes materiais, ao nosso redor. São utilizados em quase todas as áreas das atividades humanas, principalmente nas indústrias automóvel, de embalagens, de revestimentos e de vestuário, e incorporam-se de forma permanente no nosso quotidiano. No entanto, estes materiais têm uma durabilidade limitada, definida pelos processos de degradação. Os polímeros podem ser classificados em homopolímeros e copolímeros. Os homopolímeros apresentam na sua constituição uma única unidade repetitiva monomérica e os copolímeros possuem duas ou mais unidades repetitivas monoméricas diferentes. No que diz respeito aos copolímeros, estes podem ser caracterizados em função da distribuição dos diferentes monómeros ao longo da cadeia. Assim, caso os diferentes monómeros se encontrem desordenados ao longo da cadeia, o copolímero intitula-se de copolímero aleatório. No copolímero alternado, os diferentes monómeros apresentam-se intercalados. Quando um longo 10

31 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho conjunto do mesmo monómero está contíguo a um longo conjunto de outro tipo de monómero designa-se de copolímero em bloco. Por último, no copolímero ramificado, existem ramificações de um dos monómeros, provenientes da cadeia principal constituída por outro tipo de monómero (Osswald e Menges, 2012). Para além destes aspetos, os polímeros podem ser naturais, como a seda, a celulose, as fibras de algodão, entre outros, ou sintéticos, como o polipropileno (PP), o politereftalato de etileno (PET), o polietileno (PE), o policloreto de vinila (PVC), entre outros (Mano e Mendes, 1998). Na Figura 3 apresenta-se a estrutura química de alguns dos principais polímeros sintéticos utilizados atualmente. Figura 3 - Representação da estrutura química dos polímeros sintéticos (De Paoli, 2009) Os polímeros podem ser divididos em plastómeros e elastómeros. Sobre os plastómeros, os mais usados são os seguintes: o polietileno de alta densidade (PEAD) e baixa densidade (PEBD); o polipropileno (PP); o policloreto de vinilo (PVC) e o etileno-acetato de vinilo (EVA). Em relação aos elastómeros, os mais usados são a borracha natural, borracha de pneus reciclados, estireno-butadieno-borracha (SBR) e estireno-butadieno-estireno (SBS) (Becker et al., 2001). Os plastómeros aumentam a rigidez e resistência das misturas sujeitas a tráfego muito pesado através do aumento da viscosidade, enquanto os elastómeros melhoram as propriedades elásticas do betume a baixas temperaturas (Ahmadinia et al., 2011). Os polímeros também podem dividir-se em termoplásticos, termorrígidos e borrachas. Os termoplásticos representam os plásticos, constituindo a maior parte dos polímeros comerciais. A principal característica destes polímeros é a fusão, pois podem passar por este processo várias vezes e, dependendo do tipo do plástico, também podem dissolver-se em vários solventes. Assim, é possível proceder à sua reciclagem, o que atualmente é uma clara mais-valia. As 11

32 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio propriedades mecânicas variam conforme o plástico: podem ser maleáveis, rígidos ou mesmo frágeis. Os polímeros termoplásticos dividem-se em dois grupos: os elastómeros e os plastómeros, consoante a sua rigidez e deformabilidade. Os elastómetros permitem aumentar o ponto de amolecimento e reduzir a penetração do betume, aumentando a flexibilidade e a ductilidade a baixas temperaturas, permitindo a sua utilização numa gama de temperaturas mais alargada que os betumes convencionais. A principal contribuição para o desempenho das misturas betuminosas traduz-se num aumento da resistência à fadiga e à deformação permanente e no aumento da resistência ao envelhecimento (Pestana et al., 2006). Em relação aos termorrígidos, estes são rígidos e frágeis, sendo muito estáveis a variações de temperatura. O aquecimento do polímero a altas temperaturas promove a decomposição do material antes da fusão, e logo a sua reciclagem é complicada (Pestana et al., 2006). Quanto às borrachas, estas encontram-se entre os termoplásticos e os termorrígidos uma vez que apresentam alta elasticidade. Apresentam um processo de reciclagem complicado devido à incapacidade de fusão (Almeida e Magalhaes, 2004). 2.5 Modificação de betumes com polímeros Os materiais utilizados como modificadores devem ser facilmente incorporados no betume, ou em misturas betuminosas, manter-se homogéneos ao longo do armazenamento e possuir uma viscosidade que permita a sua utilização nos equipamentos de produção e de pavimentação rodoviária. Para além disso, necessitam ser resistentes às ações térmicas, à radiação ultravioleta, à água e, ainda, que não emitam substâncias nocivas para o ambiente e que estejam disponíveis em quantidades suficientes para utilização. De uma forma sucinta, apresentam-se de seguida as vantagens de betumes modificados (Garcıá-Morales et al., 2004): Redução da suscetibilidade térmica; Aumento da flexibilidade; Maior resistência ao envelhecimento; Melhor adesividade agregado-ligante. Relativamente ao uso de polímeros para a modificação do betume, o polímero melhora o comportamento elástico do betume convencional e contribui para a sua resistência à deformação 12

33 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho permanente e ao fendilhamento por fadiga. Para além disso, também contribui para uma melhoria na adesão entre agregados e betume, além de melhorar a resistência à oxidação (Bringel et al., 2005). Esta modificação é um dos principais métodos para melhorar as propriedades viscoelásticas dos ligantes. Quando o polímero é utilizado como modificador do betume, este deve ser compatível com o betume, resistente à degradação a temperaturas de produção de misturas betuminosa e ser economicamente rentável (Król et al., 2015). A adição de polímeros ao betume tem demonstrado melhorar o desempenho dos pavimentos e estes betumes têm sido utilizados com sucesso em locais de elevadas concentrações de veículos, tais como as ruas muito movimentadas, aeroportos, áreas de serviço e pistas de corrida (King et al., 1986). Pavimentos com betumes modificados por polímeros exibem uma diminuição dos danos por fadiga, desgaste e suscetibilidade térmica causados pela alta frequência de cargas e tráfego, aumentando assim a vida útil dos pavimentos em serviço (Yildirim, 2007). Os betumes modificados são obtidos pela incorporação de polímeros através de mistura mecânica ou por reação química, e as características finais dependem do tipo e teor do polímero e do betume utilizado, bem como do processo de produção do betume modificado. A modificação do betume só ocorre efetivamente quando a alteração de propriedades é originada numa reação química entre o betume e o agente modificador (Morilha Junior, 2004). De um modo geral, polímeros do tipo elastómeros aumentam a flexibilidade das misturas betuminosas, enquanto os plastómeros aumentam a rigidez e a estabilidade da mistura. Entre os polímeros mais utilizados na modificação de betumes pode referir-se: i) o SBS (copolímero de estireno e butadieno); ii) o polietileno; iii) o SBR (borracha de estireno e butadieno); iv) o EVA (copolímero de etileno e acetato de vinila) e; v) a borracha reciclada de pneus usados. Em vários trabalhos já realizados foi possível comprovar que a adição de polímeros ou borracha reciclada garantem melhorias nas propriedades do betume (Rosa et al., 2012). Os ligantes modificados com polímeros têm sido desenvolvidos de modo a reduzir o impacto da temperatura nas infraestruturas. Embora estes ligantes permitam obter uma resposta mais estável e uma melhoria nas propriedades de misturas betuminosas, o aumento dos custos associados à sua produção torna-os menos competitivos em comparação com os ligantes tradicionais, e a sua utilização é restrita a camadas e estradas com níveis elevados de tráfego. O efeito induzido pela presença de polímeros está intimamente ligado à temperatura à qual eles 13

34 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio são testados. Assim, a sua eficácia depende das condições climáticas às quais eles são expostos (Moreno-Navarro et al., 2015) Modificação de betume com borracha reciclada de pneus A utilização de borracha na modificação do betume, usualmente denominada por BMB (betume modificado com borracha) ou apenas BB (betume borracha), tem sido adotada em vários países com o intuito de reduzir a suscetibilidade térmica do betume de base, e ao mesmo tempo melhorar a viscoelasticidade e a ductilidade do ligante e as propriedades elásticas das misturas betuminosas, mais concretamente a resistência à tração e a recuperação elástica, quer a baixas, quer a altas temperaturas. A reciclagem de pneus a utilizar no betume borracha ocorre em centrais que fazem o corte e trituração dos pneus usados com vista à sua redução a granulado de dimensões reduzidas, tendo em conta duas tecnologias básicas de reciclagem: a tecnologia ambiental e a tecnologia criogénica. A tecnologia ambiental consiste na trituração de pneus à temperatura ambiente, dando origem a um granulado de partículas com superfícies rugosas. Esta propriedade das partículas de borracha tem influência na reação entre a borracha e o betume, constatando-se que a reação resulta melhor com partículas mais rugosas e regulares (Minhoto et al., 2002). A tecnologia criogénica consiste num processo em que é utilizado azoto líquido para congelar a borracha à temperatura aproximada de -160 ºC, num túnel criogénico, permitindo a fragmentação da borracha e a produção de granulado de borracha fino. O pneu sofre uma primeira trituração pela tecnologia ambiental e os fragmentos obtidos são transportados para o túnel criogénico, cuja temperatura de entrada do azoto é de, aproximadamente, -192 ºC e a temperatura de saída de -80 ºC. Após a passagem pelo túnel criogénico e pelos martelos pneumáticos, o aço e o têxtil do pneu são separados da borracha através de separação magnética e por aspiração, respetivamente (Valorpneu, 2016). A borracha utilizada na fabricação de pneus de carros é constituída por uma mistura de diferentes componentes como, borracha de estireno/butadieno de elevado peso molecular, borracha natural, polímeros, elastómeros termoplásticos, partículas de carbono ( negro de fumo ), entre outros (Holleran e Reed, 2000). 14

35 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho O BMB resulta da adição de determinada percentagem de granulado de borracha ao betume tradicional aquecido, executada em reatores especiais, junto das centrais betuminosas. O sucesso da modificação do betume pela borracha resulta da interação das frações leves do betume, os maltenos, com as partículas de borracha, formando uma película de gel que fixa as frações leves evitando a sua evaporação com o tempo. Esta modificação permite que o betume tenha uma maior flexibilidade e a mantenha durante muito mais tempo comparativamente ao betume convencional, resultando numa velocidade de envelhecimento menor (Pestana et al., 2006). O desempenho estrutural dos pavimentos está diretamente relacionado com o comportamento mecânico das misturas betuminosas caracterizado através do módulo de rigidez, e da resistência à fadiga, à deformação permanente e à propagação de fendas. De acordo com Pestana et al. (2006) a utilização de betume modificado com borracha aumenta a resistência à fadiga das misturas betuminosas, sendo esta inclusive superior à verificada em misturas com betume modificado com SBS. Estes mesmos autores concluíram que a mistura com borracha (BMB) consegue suportar mais tráfego do que a mistura com SBS, dado que os resultados de ensaios de corte permitiram concluir que a mistura BMB também apresenta maior resistência à deformação permanente do que a mistura com SBS, como se pode observar pela Figura 4. Figura 4 - Ordenação das misturas à deformação permanente (Pestana et al., 2006) Por outro lado, o uso de borracha reciclada de pneus nos pavimentos tem vindo a aumentar por motivos económicos, funcionais e estruturais, mas, essencialmente, por motivos ambientais. Pestana et al. (2006) referem que as misturas betuminosas com BMB apresentam, a nível 15

36 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio funcional, a vantagem de proporcionarem um nível de ruído pneu-pavimento menor e um coeficiente de atrito pneu-pavimento superior às restantes misturas betuminosas. Regra geral, o BMB é composto, em peso, por 20 % de borracha reciclada de pneus, 78 % a 80 % de betume e até 2 % de óleos aromáticos, embora se possa produzir BMB com menores quantidades de borracha. Existem duas metodologias de produção de misturas betuminosas com BMB: o processo húmido e o processo seco. O processo húmido é toda a metodologia que envolva a mistura prévia do betume e da borracha a altas temperaturas (160 a 210 ºC), durante um determinado período de tempo de reação (60 min e 240 min), antes de ser adicionado ao agregado. O processo seco consiste em misturar previamente a borracha e o agregado aquecido, substituindo parte do agregado grosso por granulado de borracha grosseiro devidamente graduado, sendo em seguida adicionado o betume puro aquecido. Em ambos os processos podem ser adicionados aditivos do tipo solventes ou óleos aromáticos (Minhoto et al., 2002). A adição de borracha reciclada de pneus ao ligante leva à produção de misturas com maior resistência à fadiga, ao fendilhamento térmico e a deformações permanentes devido à menor sensibilidade a variações de temperatura, o que aumenta a sua durabilidade (Specht, 2004). Além disso, a mais-valia deste material reside na garantia de obtenção de um betume modificado com excelentes propriedades (recuperação elástica, resistência ao envelhecimento, menor suscetibilidade térmica) em paralelo com o escoamento de um resíduo existente que, atualmente é alvo de grande preocupação ambiental (Galp Energia, 2016) Modificação de betume com o polímero SBS Vários estudos têm demonstrado que adição do copolímero estireno-butadieno-estireno (SBS), cuja estrutura se apresenta na Figura 5, melhora as propriedades físicas e mecânicas dos betumes convencionais (Bringel et al., 2006). Segundo Becker et al. (2001) o SBS é provavelmente o polímero mais apropriado para a modificação do betume, embora a adição deste copolímero tenha limites económicos e possa mostrar algumas limitações técnicas. 16

37 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho Figura 5 - Estrutura do copolímero SBS (Bringel, 2007) O polímero SBS demonstra apresentar boa resistência mecânica e de resiliência. O grupo estireno-butadieno propicia ao ligante betuminoso um aumento da rigidez e das propriedades de adesividade da mistura, e geralmente é adicionado na faixa de 3 a 6 % em peso da mistura (Kuennen, 2005). Dependendo da origem do betume e do polímero, a morfologia da mistura muda: i) pode existir uma fase contínua de betume com partículas de SBS dispersas; ii) uma contínua fase de polímero com glóbulos de betume dispersos, ou; iii) duas fases contínuas entrelaçadas (Yildirim, 2007). Já no que concerne aos tipos de copolímeros SBS os mais significativos são os lineares e os radiais, como se pode observar na Figura 6. Figura 6 - Esquema da estrutura dos diferentes tipos de SBS (Leite, 1999) Os betumes modificados com SBS podem ser utilizados tanto em regiões de temperatura baixa, como em regiões de clima quente. Em temperaturas elevadas, o SBS forma uma malha que envolve o betume, mais fluido, e mantém a consistência da mistura, evitando que esta apresente fluxo viscoso. Por outro lado, em temperaturas muito baixas, o SBS confere elasticidade à mistura (Bringel, 2007). Relativamente à produção do betume modificado, o SBS deve ser utilizado em pequenas dimensões para facilitar a digestão no betume (Costa et al., 2013) Modificação de betume com o polímero PEAD Segundo Montenegro et al. (1996) o polietileno de alta densidade (PEAD) é um termoplástico de alta resistência a produtos químicos e solventes e apresenta uma baixa permeabilidade a 17

38 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio gases e vapores. Sendo introduzido comercialmente na década de 50, o PEAD é atualmente o quarto termoplástico mais vendido no mundo, sendo também o segundo mais reciclado no mundo. Este polímero tem alta resistência ao impacto, inclusive em baixas temperaturas, e boa resistência contra agentes químicos. O PEAD é obtido através da polimerização do eteno pelos seguintes processos: i) suspensão em solvente (slurry); ii) solução; iii) fase gasosa, sendo esta última a de tecnologia mais moderna. Em termos de reciclagem, o PEAD ocupa uma posição relevante uma vez que é maioritariamente usado na produção de embalagens ou reservatórios. Nas investigações de Awwad e Shbeeb (2007) foi possível concluir que o uso de polietileno PEAD moído proporcionou melhores propriedades para a mistura betuminosa. A melhor proporção do modificador, que é recomendado para ser introduzido na mistura, é de 12 % em peso de betume. Os resultados das experiências realizadas confirmaram que este polímero ajuda a melhorar a estabilidade das misturas e a aumentar ligeiramente o volume de vazios e os vazios do agregado mineral (VMA), reduzindo assim a densidade da mistura betuminosa. O betume modificado com PEAD revela bons resultados em termos de penetração e ponto de amolecimento, mas apresenta piores resultados no que diz respeito ao comportamento elástico, ou seja, de resiliência e recuperação elástica (Silva et al., 2014) Modificação de betume com o polímero EVA Embora o betume modificado com EVA não tenha sido utilizado na parte prática deste trabalho, considerou-se importante apresentar esta solução adicional durante a revisão bibliográfica por ser referido em diversos trabalhos. O copolímero de etileno e acetato de vinila (EVA), cuja estrutura se apresenta na Figura 7, é bastante citado na literatura como um excelente modificador do betume (Bringel et al., 2006, Bringel et al., 2005). Este copolímero tem propriedades que o caracterizam como um termoplástico, muito semelhante ao polietileno de baixa densidade (PEBD), mas também apresenta algumas propriedades de um elastómero (Brulé e Bourlot, 1993). Como principais vantagens, este copolímero apresenta uma excelente resistência à flexão e estabilidade térmica, aliadas a um custo razoável (Leite, 1999). Ao ser facilmente solubilizado nas frações saturadas do betume, em virtude da existência de sequências etilénicas de elevado peso molecular, o EVA modifica a fluência do material (Lucena, 2005). 18

39 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho Figura 7 - Estrutura do copolímero EVA (Bringel, 2007) 2.6 Modificação de betume com ácido polifosfórico No que concerne ao uso de ácido polifosfórico (PPA) para a modificação do ligante, este é um dos produtos modernos mais promissores para a modificação de ligantes. No entanto, o mecanismo de modificação com o ácido PPA depende fortemente da composição química do betume base. O ácido polifosfórico é um conjunto de cadeias com origem no ácido fosfórico, sendo que a produção de PPA com alto grau de pureza pode ser feita pela desidratação do ácido fosfórico ou pelo aquecimento de pentóxido de fósforo disperso em ácido fosfórico (Baumgardner et al., 2005). Masson (2008) refere que o ácido polifosfórico é um polímero de cadeia curta, cuja reação com o betume é pouco entendida. Este mesmo autor propôs vários mecanismos de modificação química de betume com o PPA com o intuito de ajudar a compreender melhor estes mecanismos. Para estudar a influência da modificação do betume com o PPA, analisou betumes modificados e não modificados de diferentes fontes, em bruto, quanto à composição química por precipitação de asfaltenos, cromatografia em camada fina (TLC) e de ressonância magnética nuclear (RMN), por cromatografia de permeação de gel (GPC) e microscopia de força atómica (AFM). O grau de desempenho de ambos os betumes foi observado em AFM como um endurecimento de uma das duas fases principais do betume. Assim, num dos betumes o PPA afetou a fase dispersa, enquanto em outro, a matriz foi a fase afetada. O efeito de modificação com PPA foi, portanto, dependente do betume. Os diversos mecanismos propostos para explicar o endurecimento devido à modificação de betumes com PPA foram os seguintes: i) formação de adutos de PPA; ii) alquilação de aromáticos; iii) ligação cruzada de segmentos vizinhos de betume; iv) formação de grupos iónicos; v) e a ciclização de compostos aromáticos de alquilo. No que diz respeito à incorporação de PPA no betume, Kodrat et al. (2007) apontam que a adição de PPA pode ser feita por meio de três maneiras distintas: i) como catalisador na 19

40 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio modificação dos ligantes betuminosos onde o ligante é submetido a aquecimento e misturado na presença de um gás, por exemplo, oxigénio; ii) como um aditivo puro e; iii) como um acelerador da reação química. A pesquisa efetuada por Venkat Ramayya et al. (2016) descreve as observações ocorridas num betume modificado com ácido polifosfórico, através do respetivo desempenho comparativo do betume antes e após modificação, em relação às propriedades desses ligantes, tais como a penetração, ponto de amolecimento, ductilidade e outros parâmetros reológicos. Assim, foi possível concluir que o betume base, após modificação com 2 % PPA, mostrou melhoria no ponto de amolecimento (47 ºC para 59 ºC) e nos valores de penetração (64 dmm para 31 dmm). O betume transformou-se num ligante mais duro, reduzindo o valor da ductilidade, pelo aumento substancial nas frações de asfaltenos devido ao aumento da dosagem PPA no betume. Também se confirmou, claramente, que a adição do ácido PPA no betume modifica eficazmente a estrutura de asfaltenos. Os resultados indicam que o PPA pode ser usado como modificador para melhorar o desempenho dos ligantes betuminosos a temperaturas alta e média. De facto, cada vez mais se demonstra um elevado interesse na modificação de betumes através do ácido PPA em regimes de baixa, média e alta temperatura. 2.7 Modificação de betume com óleo de motor usado A eliminação de resíduos é um dos principais problemas que a humanidade enfrenta hoje em dia e, por isso, a gestão destes resíduos é indispensável para uma sociedade sustentável e um ambiente verde. Com a rápida industrialização e crescimento da população, a geração de resíduos está aumentando dia após dia. Os resíduos sólidos, tais como os resíduos plásticos, bem como os resíduos líquidos, como por exemplo resíduos de óleo, são fontes de potenciais riscos ambientais e de saúde. Além disso, o óleo do motor é uma das mais importantes fontes de resíduos líquidos do mundo. Por exemplo, Uçar et al. (2016) referem que cerca de 415,849 toneladas de óleo de motor foi consumido na Turquia em 2013, dos quais apenas toneladas de resíduos de óleo de motor foram recolhidos pela Associação Turco Oil Industry. Assim, a avaliação de resíduos de óleo de motor é importante em termos de preocupações económicas e ambientais. Na maioria dos países, estes tipos de resíduos são utilizados por incineração e/ou combustão. No entanto, estes métodos de tratamento, na maioria das vezes, não são viáveis e ambientalmente amigáveis uma vez que o óleo de motor contém 20

41 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho vários metais pesados e impurezas e, deste modo, a incineração ou combustão para estes tipos de resíduos não são a alternativa mais viável (Uçar et al., 2016). No que diz respeito à modificação do betume, o óleo de motor usado é considerado como um rejuvenescedor uma vez que permite maximizar a trabalhabilidade do betume quase sem acrescentar custos à mistura final e a sua aplicação torna-se muito vantajosa, a nível ambiental e de saúde, uma vez que permite a sua reciclagem e uso para fins rodoviários importantes. Ou seja, é um produto barato e que pode aumentar a taxa de reciclagem dos óleos usados. Para melhor compreensão, o rejuvenescedor é um dos agentes de reciclagem, adequado para misturas que possuem uma grande percentagem de material fresado, e deve ser adequadamente adicionado de modo a que as propriedades da mistura sob baixas temperaturas sejam melhoradas enquanto as propriedades sob altas temperaturas não sejam afetadas. O rejuvenescimento do betume é um processo simples que consiste na substituição dos óleos perdidos durante o processo de envelhecimento e no reequilíbrio da composição do betume. A aplicação de rejuvenescedores tem sido cada vez mais usada, tendo-se comprovado a sua eficácia. Contudo, em alguns estados nos EUA, a aplicação do rejuvenescedor não é permitida para a reciclagem devido à incerteza das propriedades de misturas recicladas com o rejuvenescedor (Shen et al., 2007). Segundo o estudo efetuado por Lei et al. (2015), cujo objetivo foi investigar o efeito do óleo no desempenho do betume a baixas temperaturas, verificou-se que a rigidez do betume diminuiu, a energia de rotura do betume aumentou e a temperatura de transição vítrea (Tg) tornou-se menor após a adição do óleo. Estes resultados indicam que os óleos podem melhorar o desempenho do betume a baixas temperaturas. Nesse estudo foram utilizados óleos diferentes, incluindo bio-óleo e resíduos de óleo refinado, efetuando-se em seguida diversos ensaios, tais como o ensaio de Rigidez à Fluência em Flexão (BBR), ensaio Single Edge Notched Beam (SENB) e o ensaio de Calorimetria Diferencial de Varrimento Modulado (MDSC). Em conclusão, o óleo usado pode ser utilizado como modificador para melhorar o desempenho do betume a baixas temperaturas, uma vez que este, quando adicionado ao betume, proporciona uma menor rigidez e uma mais rápida relaxação de tensão. 21

42 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio 2.8 Recuperação elástica de betumes modificados A recuperação elástica de betumes modificados difere consoante a modificação efetuada, uma vez que cada modificador possui as suas próprias características e provoca diferentes efeitos no betume quando sujeito a variações de temperatura. Uma das principais características do betume modificado com polímeros é a significativa melhoria na recuperação elástica do ligante. Teoricamente, é de prever que quanto maior for a recuperação elástica, melhor será a resistência do pavimento ao fendilhamento por fadiga. Também se comprovou que os betumes modificados com polímeros com melhor recuperação elástica possuíam melhor resistência à fissuração a baixas temperaturas. Em suma, uma boa recuperação elástica é sempre desejada nos pavimentos rodoviários (Zhang et al., 2016). Costa et al. (2013) refere que os resultados do ensaio de resiliência, que estão relacionados com a recuperação elástica percentual dos ligantes após penetração, confirmaram que os polímeros que apresentam melhor desempenho foram o elastómero SBS, seguido pelo EVA e pela borracha de pneus. Os betumes modificados com polietilenos (PEAD e PEBD) e com o copolímero acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), bem como o betume base, apresentaram valores de resiliência muito baixos por terem uma capacidade reduzida de recuperar da deformação inicial a que foram sujeitos. Na modificação do betume com o polímero estireno-butadieno-estireno (SBS), este apresenta como característica principal uma elevada resposta elástica, aumentando a elasticidade da mistura. Assim, o betume modificado com SBS aumenta a resistência à deformação permanente por alongamento e recuperação e a resistência ao fendilhamento (Kuennen, 2005). Segundo Costa et al. (2013) a utilização dos polímeros EVA e PEAD não apresenta tantas vantagens na recuperação elástica, comparativamente com o SBS, sendo o polietileno de alta densidade (PEAD) o menos aconselhável pois apresenta valores muito reduzidos de resiliência (tem dificuldade em recuperar a sua forma inicial). A incorporação de borracha de pneus usados no betume melhora as propriedades elásticas e o comportamento a elevadas temperaturas do betume borracha (Neto et al., 2003). Esta melhoria das propriedades elásticas do BMB reflete-se positivamente na resistência ao fendilhamento, à 22

43 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho reflexão de fendas e à deformação permanente, apresentando grande viscosidade a altas temperaturas e boa flexibilidade a baixas temperaturas (Minhoto et al., 2002). Por sua vez, o óleo de motor pode ser usado na modificação de betumes como um rejuvenescedor através da redução da viscosidade, melhorando o desempenho do betume a baixas temperaturas, reduzindo a rigidez e o risco de fendilhamento, mas não contribui para uma melhor recuperação elástica (Lei et al., 2015). Já a adição de ácido polifosfórico (PPA) aumenta a rigidez, a elasticidade e a recuperação elástica do betume (Pamplona, 2013). 2.9 Comportamento reológico de betumes modificados Reologia de betumes A reologia é o estudo do fluxo e da deformação dos materiais quando sujeitos a aplicação de forças. A medição das propriedades reológicas é aplicável a todos os materiais, desde fluidos, tais como soluções diluídas de polímeros e surfactantes, a formulações de proteínas concentradas, até semissólidos, tais como pastas, cremes e polímeros fundidos ou sólidos (Gama et al., 2016). A caracterização reológica dos betumes é um método eficiente para avaliação do seu comportamento mecânico como material isolado, permitindo a obtenção de resultados importantes para a sua aplicação em misturas betuminosas. As principais propriedades mecânicas obtidas com a caracterização reológica dos betumes, com interesse para a avaliação do comportamento mecânico das misturas betuminosas, são as seguintes: i) módulo elástico (G ), que corresponde à resposta elástica do material; ii) módulo viscoso (G ), que corresponde à resposta viscosa do material; iii) ângulo de fase (δ), que representa a resposta viscoelástica do material e iv) módulo complexo (G*) que representa a rigidez do material (Arieira et al., 2006). Para além destas propriedades também se obtém o parâmetro tan(δ), que relaciona o módulo viscoso com o módulo elástico representando a elasticidade dos ligantes, e o parâmetro de resistência (G*/sin(δ)) que controla a rigidez do betume a altas temperaturas e é o melhor critério para determinar a temperatura máxima de utilização do betume (Gama et al., 2016). Segundo os mesmos autores, o módulo complexo (G*) encontra-se relacionado com a 23

44 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio resistência à deformação permanente sempre que um pavimento é sujeito a uma tensão de corte. Os resultados do estudo destes autores mostraram que a adição de modificadores no betume resulta numa redução significativa dos valores de tan(δ), o que indica uma melhoria na resposta elástica dos betumes modificados. O estudo da reologia dos materiais betuminosos tem por objetivo principal encontrar a relação entre deformação, tensão, tempo de aplicação da carga e temperatura. As propriedades reológicas podem ser medidas a partir da deformação total da amostra, utilizando um reómetro mecânico, ou em microescala, utilizando uma técnica ótica como a micro-reologia. Muitos materiais de uso comum exibem propriedades reológicas complexas, cuja viscoelasticidade pode variar dependendo das condições externas aplicadas, tais como esforço, tensão, escala de tempo e temperatura (Gama et al., 2016). Estas propriedades reológicas dos betumes podem influenciar significativamente o desempenho das misturas betuminosas durante o processo de mistura, compactação e serviço (Arieira et al., 2006). Segundo o mesmo autor, a consideração da temperatura também é um aspeto de extrema importância no caso do betume uma vez que este é um material termossensível, isto é, a sua consistência muda consideravelmente com a temperatura. Assim, quando sujeito a temperaturas baixas, ou a altas frequências, o betume reage como um sólido elástico e quando sujeito a temperaturas elevadas, ou a baixas frequências, a viscosidade aumenta e o betume comporta-se como um líquido Newtoniano Reologia de betumes modificados com SBS, EVA e betume borracha Os polímeros podem modificar a reologia do betume em virtude dos seus altos pesos moleculares, entrelaçado de cadeias e interações físicas ou químicas de polímero e betume (Jin et al., 2002). As diferenças nos comportamentos reológicos podem ser atribuídas à composição química e à compatibilidade betume-polímero das diferentes misturas. Num estudo de Lucena (2005) verificou-se que a maior modificação do betume ocorreu após a incorporação do polímero EVA e cal hidratada como aditivos, em vez do polímero SBS. Sabendo que a morfologia e, por isso, as características reológicas do betume são influenciadas pela sua composição e pela natureza e teor do polímero, Airey (2003) justifica essa maior modificação no comportamento do ligante 24

45 Estado da Arte sobre Ligantes Modificados e Respetiva Caracterização de Desempenho devido ao facto do EVA se solubilizar nas frações saturadas do betume em virtude das suas sequências etilénicas de elevado peso molecular. As propriedades reológicas do betume modificado com polímero SBS foram investigadas por diversos autores que concluíram que algumas propriedades do betume são reforçadas, como por exemplo, a resposta elástica aumenta e a rigidez diminui. No entanto, existe uma desvantagem principal com a miscibilidade parcial deste polímero. Este aspeto negativo provoca uma limitação na compatibilidade do betume modificado com o próprio polímero, pois este possui uma tendência em separar-se do betume quando armazenado a temperaturas elevadas, sem agitação (Jasso et al., 2015). Relativamente ao comportamento reológico do BMB, os ensaios realizados, por meio de um reómetro rotacional de pratos paralelos, permitiram concluir que elevados tempos de digestão permitem obter um ligante com maior módulo de rigidez e menor deformabilidade, não verificando diferenças de comportamento com a frequência de aplicação das cargas (Arieira et al., 2006). 25

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47 3 ADAPTAÇÃO DE UM DUCTILÓMETRO BASE PARA UM DUCTILÓMETRO AVANÇADO 3.1 Introdução O ensaio de recuperação elástica de betumes modificados, segundo a norma EN 13398, tem como objetivo a determinação da recuperação elástica de um betume após ter sido alongado (através do afastamento de 2 metades de um molde a uma velocidade de 50 mm/min até atingir 200 mm de alongamento), cortando-se a zona central da amostra de betume entretanto esticado. Após 30 minutos mede-se o comprimento entre as extremidades cortadas da amostra e, desta forma, calcula-se a recuperação elástica do alongamento sofrido pelo betume modificado. Com o equipamento base (ductilómetro) existente no laboratório da Universidade do Minho já era possível executar o referido ensaio. Contudo, outras características podem ser obtidas numa configuração diferente do ensaio de tração, pelo método da força-ductilidade de betumes modificados, mas para isso era necessário melhorar o equipamento base para se poder realizar ensaios num ductilómetro mais evoluído, o que era um dos pressupostos deste trabalho de Mestrado. Assim, após obtenção recente do equipamento base, durante este trabalho foi possível realizar um estudo de forma a transformar o mesmo num equipamento avançado para fins de investigação. Desta forma, foi feito um estudo ao equipamento para se verificar onde se poderia melhorar o desempenho do mesmo. Estes procedimentos vão ser descritos de seguida, de forma resumida, o que só foi possível concluir com sucesso com a ajuda do responsável do laboratório, Engenheiro Carlos Palha. 3.2 Ductilómetro base Inicialmente, o ductilómetro base (Figura 8) permitia efetuar o ensaio apenas com uma única velocidade, 50 mm/min, de acordo com a norma EN Outras configurações de ensaio podem ser interessantes de estudar, com temperaturas e taxas de alongamento diferentes, e este equipamento não permitia efetuar esses ensaios. Assim, houve necessidade de executar melhorias no equipamento de modo a ser possível, por exemplo, modificar e controlar a velocidade de alongamento das amostras, a temperatura de ensaio e em especial para ser possível medir o esforço e deformação de tração durante o ensaio, permitindo assim avaliar a energia de deformação pelo método de ensaio força-ductilidade (norma EN 13589). 27

48 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Figura 8 - Ductilómetro base 3.3 Melhorias no ductilómetro base Os procedimentos subsequentes para a respetiva adaptação a um ductilómetro avançado para fins de investigação, foram os seguintes: i) introdução de células de carga para medição da força; ii) aquisição de um banho com refrigeração para arrefecimento de água e iii) aplicação de um encoder para medição do comprimento de esticamento Aplicação de peças adicionais para melhoria do ductilómetro Esta primeira etapa englobou, inicialmente, a desmontagem da zona lateral do ductilómetro, onde se encontra o motor, para se proceder à aplicação de um suporte onde vão ser colocadas as células de carga, como se pode observar na Figura 9. Figura 9 - Peça de suporte das células de carga 28

49 Adaptação de um Ductilómetro Base para um Ductilómetro Avançado Como referido anteriormente, procedeu-se ainda à instalação de um encoder no motor (Figura 10). O encoder é um dispositivo eletromecânico que conta impulsos elétricos a partir do movimento rotacional do seu eixo, gerando uma quantidade exata de pulsos por volta em uma distribuição perfeita dos pulsos ao longo dos 360 graus do giro do eixo. Foi colocado no eixo de rotação do motor que efetua o deslocamento das amostras permitindo, assim, verificar através do software desenvolvido para o efeito, a contagem dos impulsos que, posteriormente, se transformam no respetivo deslocamento associado a cada impulso de modo a garantir que não existem erros no registo do deslocamento. Figura 10 - Encoder utilizado no ductilómetro Um outro equipamento aplicado no ductilómetro foi um regulador de potência (Figura 11) para motores AC, de 2000 W de potência, que permite diminuir parcialmente a velocidade do motor. Assim, e para fins de investigação, passou a ser possível praticar outras velocidades de ensaio, diferentes da velocidade-padrão de 50 mm/min. Houve, portanto, necessidade de introduzir este regulador de potência no ductilómetro uma vez que se pretendia executar ensaios a diferentes velocidades para simular tráfego a circular a diferentes velocidades. Figura 11 - Regulador de potência utilizado no ductilómetro Desenvolvimento de aplicação informática para o ensaio O desenvolvimento dum software que permitisse controlar os parâmetros atrás referidos, e ao mesmo tempo registar os resultados do ensaio, tornou-se essencial para se conseguir ter o 29

50 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio ductilómetro avançado perfeitamente operacional. Esse software foi desenvolvido em LabView e foi evoluindo à medida que surgiam novas necessidades de registo de dados e de controlo do ensaio, tal como a velocidade e a força máxima. A versão atual do software que foi utilizada para o trabalho aqui apresentado pode ser observada na Figura 12. Figura 12 - Versão final do software para os ensaios no ductilómetro Calibração das células de carga A célula de carga é um equipamento constituído por um corpo metálico devidamente calculado e moldado para que quando solicitado se deforme dentro da gama de forças em regime sempre linear. Neste corpo são aplicados 4 extensómetros ligados entre si formando a ponte de Wheatstone. Estes extensómetros têm a propriedade de, quando sujeitos a uma deformação, variarem a sua resistência elétrica. Assim, sempre que é aplicada uma carga, o sinal elétrico que passa na ponte de Wheatstone é alterado, sendo que esta alteração, após uma calibração, corresponderá a um determinado nível de força. Cada célula de carga possui um cabo com quatro condutores que vão ligar à ponte de Wheatstone (Figura 13). Dois fios são utilizados para alimentar a célula (excitação), normalmente com uma tensão entre os 5 V e os 10 V. Os restantes dois retornam a leitura da tensão, de saída da ponte, e andam na ordem dos mv. Um extensómetro é um filamento muito fino de um condutor elétrico em zig-zag colado num material de suporte de plástico onde, posteriormente, se cola no corpo metálico onde se pretende medir a deformação metálica. Pela mudança de resistência consegue-se saber quando o corpo é tracionado ou comprimido, dentro 30

51 Adaptação de um Ductilómetro Base para um Ductilómetro Avançado dos seus limites elásticos. Existem quatro extensómetros ligados na superfície interna da célula de carga em local bem definido, formando a ponte de Wheatstone (Agilent Technologies, 2012). Figura 13 - Configuração de ponte de Wheatstone (Agilent Technologies, 2012) Segundo o mesmo autor, quando é aplicada alguma tensão à célula de carga, dois extensómetros são esticados e os outros dois são comprimidos. Os extensómetros esticados aumentam a sua resistência, enquanto os comprimidos a diminuem. Se nenhuma tensão for aplicada, não haverá diferença de tensão entre as saídas +SIG e -SIG. Se uma força for aplicada à célula, a ponte de extensómetros desequilibra-se e haverá tensão entre as saídas +SIG e -SIG. A magnitude dessa tensão é baseada no design da célula, e é expressa em mv/v (milivolts de sinal por volt de excitação) com carga máxima. Para excitação de 10 V em uma célula de carga de 2 mv/v, a saída máxima, sendo aplicada a maior quantidade de força, seria apenas de 20 mv. Para o caso concreto deste trabalho, na Figura 14 é possível observar as três células de carga utilizadas no ductilómetro, já aplicadas no respetivo suporte. Figura 14 - Células de carga aplicadas no ductilómetro 31

52 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio A calibração das células de carga é um processo pelo qual uma célula de carga é ajustada para que seja possível saber a carga, em kgf ou Newtons, a que a mesma está sujeita. Assim, este processo teve início com a ligação das células de carga a um sistema de aquisição de dados (placa de dados), que não é mais do que um conversor de dados analógicos (eletricidade) em digitais (bits). Ou seja, com esta placa é possível converter o sinal que sai da célula e introduzir o mesmo no computador. No computador, a voltagem agora convertida em dados digitais terá de ser ajustada através de constantes (obtidas no processo de calibração), o que dará o valor na unidade de força pretendida. Para se determinar as constantes de calibração é necessário aplicar cargas conhecidas (pesos padrão), que serão relacionadas com os valores digitais medidos pela célula de carga. Inicialmente, efetuou-se a calibração das células com o auxílio de uma mola, mas os resultados não foram os melhores. Assim, efetuou-se nova calibração final das células de carga sem mola, com melhores resultados, a qual envolveu as seguintes etapas: 1) Colocar a célula em consola. 2) Verificar e anotar as leituras digitais no computador provenientes de cada célula de carga, durante a aplicação de diversas cargas conhecidas (Figura 15) recorrendo a quatro pesos padrão diferentes, nomeadamente 0 g, 100 g, 1000 g e 5000 g. 3) De seguida, estes dados foram introduzidos numa folha de Excel (Figura 16) e determinada a equação da reta de calibração para cada célula. 4) Por último, procedeu-se à colocação das células de carga no ductilómetro e à introdução das constantes da equação da reta no software, nomeadamente o valor do declive (m) e o valor da interseção (b) da reta de calibração de cada célula de carga. Figura 15 - Aplicação das diversas cargas para calibração das células de carga 32

53 Leitura digital da célula de carga Adaptação de um Ductilómetro Base para um Ductilómetro Avançado 2,5E-04 2,0E-04 1,5E-04 1,0E-04 5,0E-05 0,0E+00-5,0E-05 y = 5E-08x - 3E-05 R² = Carga aplicada (g) Figura 16 - Representação da reta de calibração para uma célula de carga Assim, foi possível ter as células de carga calibradas para ensaio, ou seja, o instrumento de medição foi colocado em condições de utilização por meio da comparação dos valores das medições fornecidas pela célula com os valores de cargas padrão, permitindo que a célula de carga faça uma correta medição da força de tração durante o ensaio. Contudo, sempre que se iniciam novos ensaios, é necessário executar o ajuste da leitura inicial das células de carga dado que a variação de temperatura provoca uma ligeira deformação no alumínio da célula de carga, o que pode influenciar os valores de medição Colocação de um sistema de refrigeração Para tornar possível a realização de ensaios a temperaturas inferiores à temperatura ambiente, principalmente para atingir uma temperatura na ordem dos 5 ºC, montou-se um sistema de arrefecimento (banho maria arrefecido), como se pode observar na Figura 17. a) b) Figura 17 - Sistema de refrigeração: a) Compressor de frio e reservatório de água e b) Tubos e serpentina no ductilómetro 33

54 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Trata-se de um sistema constituído apenas por um compressor de frio e um reservatório de água. O gás ao ser arrefecido passa por uma serpentina mergulhada no recipiente de água, arrefecendo-a até cerca dos 0 ºC. Com o auxílio de uma bomba, esta água arrefecida circula através de uns tubos e passa numa outra serpentina mergulhada no banho do ductilómetro, fazendo, desta forma, baixar a temperatura do ductilómetro. 3.4 Ductilómetro avançado para fins de investigação Após finalizadas todas as alterações e melhorias mencionadas anteriormente, o ductilómetro adquiriu a capacidade para executar ensaios a diferentes temperaturas, principalmente baixas temperaturas, e diferentes velocidades de aplicação de alongamento, com todas as vantagens que daí advêm para fins de investigação. Tornou-se ainda possível a visualização da força/deslocamento de tração num gráfico e, também, o registo em computador de todos os parâmetros de ensaio e resultados do mesmo de modo a que a análise posterior destes resultados seja a mais completa e fiável. O resultado final encontra-se visível na Figura 18. a) b) Figura 18 - Ductilómetro avançado: a) Constituição final do ductilómetro e b) Versão final do software com registo visual durante realização dum ensaio 34

55 4 MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS 4.1 Introdução Neste capítulo vão ser apresentados os diversos materiais utilizados no estudo, a preparação e caracterização básica dos betumes modificados, a caracterização dos polímeros e, ainda, a descrição dos métodos experimentais utilizados. 4.2 Materiais Os materiais utilizados no presente estudo, para a produção de ligantes modificados, foram os seguintes: betume convencional, óleo de motor usado, três tipos de polímeros e ácido polifosfórico. Para além destes materiais também se selecionou um betume modificado comercial que serviu como um betume de controlo. A seleção dos respetivos materiais foi feita, principalmente, com base em estudos anteriores (Fernandes et al., 2015a, Fernandes et al., 2015b) realizados no âmbito do doutoramento da Eng.ª Sara Fernandes, e que comprovaram que a sua utilização é a mais indicada para o estudo de ligantes modificados e, por sua vez, para o estudo da recuperação elástica. Outros motivos de seleção serão apresentados de seguida. O betume convencional utilizado consiste num betume de penetração 35/50, da Cepsa, e a sua seleção deve-se ao facto de ser o betume mais utilizado em Portugal, além de ser um betume com baixo valor de penetração (betume duro) possibilitando, assim, uma maior adição de óleo. No que diz respeito ao óleo de motor usado (Figura 19), este é proveniente de veículos pesados e não é sujeito a qualquer tipo de tratamento para garantir um custo mínimo na sua reutilização. Figura 19 - Óleo de motor usado 35

56 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Relativamente à seleção dos tipos de polímeros a utilizar na modificação do betume base, utilizou-se um elastómero (Figura 20a), designado estireno-butadieno-estireno (SBS), uma vez que é um dos polímeros com maior utilização na pavimentação rodoviária. Depois utilizou-se um plastómero (Figura 20b), nomeadamente o polietileno de alta densidade (PEAD) reciclado pois trata-se de um resíduo que existe em quantidades significativas, permitindo assim aumentar a sustentabilidade dessa solução. Por último, a escolha da borracha reciclada de pneus (Figura 21) incide, essencialmente, nas alterações significativas que provoca no betume e no facto de permitir a reutilização de maiores quantidades de material usado, beneficiando o ambiente. Todos os polímeros têm uma dimensão máxima de 4 mm para facilitar a sua digestão no betume. a) b) Figura 20 - Polímeros granulares utilizados na modificação de betumes: a) estireno-butadienoestireno (SBS) e b) polietileno de alta densidade (PEAD) Figura 21 - Borracha reciclada de pneus usados aplicada na modificação de betumes Quanto ao ácido polifosfórico (PPA), a seleção deste modificador do betume (Figura 22) incidiu no facto de este aumentar, significativamente, a elasticidade do ligante e ser um dos produtos mais promissores para a modificação de ligantes. De acordo com Jasso et al. (2015) a adição de ácido polifosfórico (PPA) no betume provoca um endurecimento significativo do mesmo a baixas temperaturas, o que pode influenciar a sua recuperação elástica. 36

57 Materiais e Métodos Experimentais Figura 22 - Ácido polifosfórico (PPA) utilizado na modificação de betumes Por último, o betume modificado comercial utilizado foi o Elaster 13/60 (PMB 45-80/60) da Cepsa que, como referido anteriormente, serviu como betume de controlo permitindo a sua comparação com os restantes betumes modificados produzidos em laboratório, facilitando também a realização dum estudo mais aprofundado da recuperação elástica. 4.3 Preparação dos betumes modificados em laboratório O betume modificado é um betume cujas propriedades reológicas foram modificadas durante o fabrico pela utilização de um ou mais agentes químicos (Estradas de Portugal, 2014), ou pela utilização de polímeros. A preparação de betumes modificados no presente estudo englobou três procedimentos distintos de preparação, referentes aos três principais tipos de materiais utlizados, nomeadamente: i) betume modificado com os polímeros SBS e PEAD; ii) betume modificado com borracha reciclada de pneus e; iii) betume modificado com ácido polifosfórico. Os procedimentos utilizados em cada caso encontram-se descritos de seguida. Na preparação de betumes modificados com os polímeros SBS e PEAD, o método de preparação é idêntico. Contudo, as quantidades de cada modificador são diferentes. Assim, efetuou-se a modificação para o polímero SBS com as seguintes quantidades: i) betume 35/50 modificado com 5 % de polímero e 10 % de óleo; ii) betume 35/50 modificado com 5 % de polímero e 12,5 % de óleo; iii) betume 35/50 modificado com 6 % de polímero e 10 % de óleo. Para o polímero PEAD produziu-se apenas um único betume 35/50 modificado com 6 % de polímero e 10 % de óleo. Em ambos os casos, após efetuado o aquecimento do betume a 180 ºC procede-se à adição do óleo e, posteriormente, dos respetivos polímeros, consoante o betume a ser produzido. Os vários materiais são homogeneizados num misturador de alto corte (Figura 23a) a uma velocidade compreendida entre 6000 e 7200 rpm, durante 20 minutos. 37

58 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio No que diz respeito à preparação de betumes modificados com borracha reciclada de pneus foram produzidos dois betumes 35/50 modificados, respetivamente, com 15 % de borracha e 5 % de óleo e 20 % de borracha e 7,5 % de óleo. O procedimento utilizado para produção dos betumes modificados com borracha foi igual ao dos betumes modificados com SBS e PEAD. A seleção das quantidades de óleo e polímero a utilizar para modificação do betume 35/50 foi efetuada com base em estudos anteriores (Fernandes et al., 2015a, Fernandes et al., 2015b), como já foi referido, nos quais se pretende substituir uma parte substancial do betume por materiais reutilizados (em especial o óleo, mas também o PEAD e a borracha). Também se atendeu ao facto de que, após a adição de maiores quantidades de óleo, torna-se necessária a adição de maiores quantidades de polímeros de modo a estabilizar cada betume. A preparação do betume modificado com ácido polifosfórico foi diferente das anteriores, dado que o PPA é um aditivo líquido (permitindo utilizar outros processos de mistura), e porque não se utilizou óleo, isto para estudar apenas o efeito do ácido no betume. Assim, o betume utilizado neste caso foi um betume 50/70 da Galp, de uso corrente na pavimentação rodoviária, que segundo estudos anteriores (Palha et al., 2016), após modificação com o ácido PPA, dá origem a um betume modificado com maior resistência às deformações (tipo 35/50). De referir que o manuseamento de um ácido também requer cuidados especiais. Assim, ao betume previamente aquecido a 150 ºC adicionou-se 2 % de ácido PPA, com auxílio de uma seringa, num misturador de baixa rotação (Figura 23b) a uma velocidade de 250 rpm durante 10 minutos. Os equipamentos utilizados neste caso (Figura 23c), tal como a velocidade e o tempo de digestão, procuraram simular as condições reais de mistura. a) b) c) Figura 23 - Preparação dos ligantes: a) Misturador de alto corte; b) Misturador de baixa rotação e c) Equipamento geral de preparação 38

59 Materiais e Métodos Experimentais Na Tabela 2 são apresentados os diversos betumes modificados estudados e respetiva designação utilizada ao longo deste trabalho, bem como as percentagens de aditivos utilizadas para a sua produção. Não se efetuaram modificações do betume com valores superiores a 6% pois a rigidez iria aumentar significativamente, obtendo-se um betume com características pouco aconselháveis na pavimentação rodoviária. Tabela 2 - Identificação dos diversos betumes modificados estudados neste trabalho Betume base Betume 35/50 Tipo de aditivo ou modificador SBS Borracha Quantidade de aditivo Quantidade de óleo Designação do betume modificado 6 % 10,0 % A1 5 % 12,5 % A2 5 % 10,0 % A3 20 % 7,5 % B1 15 % 5,0 % B2 PEAD 6 % 10,0 % C Betume 50/70 PPA 2 % 0,0 % D 4.4 Caracterização básica dos betumes modificados A caracterização básica de betumes modificados é realizada com base em diversos ensaios que permitem caracterizar o betume a nível de consistência, estabilidade e viscosidade quando sujeito a diferentes temperaturas características de cada ensaio. Os ensaios utilizados para a respetiva caracterização descrevem-se de seguida: i) ensaio de penetração a 25 ºC; ii) ensaio de resiliência; iii) ensaio da determinação do ponto de amolecimento (também conhecido por temperatura anel e bola) e; iv) ensaio de viscosidade rotacional Ensaio de penetração a 25 ºC O ensaio de penetração é o ensaio mais comum na caracterização de ligantes betuminosos e, segundo a norma EN 1426, a penetração é uma medida direta da consistência de um betume e medida indireta da viscosidade, à temperatura de referência de 25 ºC. O ensaio consiste, basicamente, em determinar qual a profundidade em décimos de milímetros (dmm), no momento em que uma agulha de aço inoxidável de 100 g penetra na amostra de betume a uma temperatura de 25 ºC, durante um tempo de 5 segundos. Este método é realizado três vezes e o 39

60 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio valor da penetração do ligante obtém-se através da média dos três resultados obtidos anteriormente. Na Figura 24 é possível observar o respetivo ensaio. Figura 24 - Ensaio de penetração a 25 ºC Ensaio de resiliência Segundo a norma EN , o ensaio de resiliência (penetração e recuperação elástica) é utilizado para avaliar a resposta elástica após aplicação de uma carga em compressão, ou seja, avaliar a capacidade do betume em recuperar elasticamente da deformação de compressão sofrida. Consiste em aplicar um deslocamento de 10 mm numa amostra de betume através de uma esfera metálica de 17 mm de diâmetro, a uma taxa de deslocamento de 1 mm/s e a uma temperatura de 25 ºC. Após este processo é medida a recuperação elástica da amostra que ocorre durante 20 segundos. Na Figura 25 é apresentado o referido ensaio. 40 Figura 25 - Ensaio de resiliência

61 Materiais e Métodos Experimentais Ensaio de determinação do ponto de amolecimento O ensaio de determinação do ponto de amolecimento (avaliado pelo método de anel e bola), segundo a norma EN 1427, é determinado por meio de um ensaio, representado na Figura 26, em que uma amostra de betume é colocada em dois anéis metálicos onde, posteriormente, a amostra é rasada de modo a tornar a sua superfície horizontal. É realizado o ensaio após a colocação dos anéis em um recipiente específico e a imersão deste recipiente em água, mantendo-o imerso para arrefecer o betume. Procede-se à colocação de esferas de aço sobre cada amostra de betume e o líquido é aquecido a uma taxa de 5 ºC/min até que o betume amoleça o suficiente para fluir através do anel até atingir a placa de base. A temperatura do fluido, no momento em que o ligante toca na placa, é considerada como o ponto de amolecimento do betume (também conhecido como temperatura anel e bola). Figura 26 - Ensaio de ponto de amolecimento O ponto de amolecimento está diretamente relacionado com a resistência à deformação permanente das misturas, ou seja, indica a temperatura máxima que se prevê que uma mistura betuminosa com esse betume consiga suportar na estrada sem ter tendência para aumentar de forma rápida a formação de rodeiras. Portanto, este ensaio permite obter uma avaliação do comportamento do betume (a sua estabilidade) a temperaturas elevadas Ensaio de viscosidade rotacional O ensaio de viscosidade rotacional, efetuado através do viscosímetro rotacional Brookfield, representado na Figura 27, permite a determinação da viscosidade ou a resistência à deformação 41

62 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio do betume fluido a temperaturas elevadas, usualmente acima de 100 ºC. Segundo a norma EN 13302, o viscosímetro rotacional determina a viscosidade do betume através da medição do torque (força de torção) necessário para girar um spindle a uma velocidade rotacional constante, quando este se encontra submerso no betume. A viscosidade é medida a diversas temperaturas previamente estipuladas, neste caso dos 100 ºC aos 180 ºC, com acréscimos de 10 ºC. Para uma melhor medição da viscosidade é essencial a ausência de sujidade no spindle bem como ausência de bolhas na amostra de betume a ensaiar. Figura 27 - Ensaio de viscosidade rotacional 4.5 Caracterização avançada dos betumes modificados A caracterização avançada dos betumes modificados é realizada com base em ensaios distintos que permitem caracterizar o betume a nível de comportamento viscoelástico (módulo de rigidez elástico e viscoso) e da resposta elástica e não elástica em fluência. Os ensaios realizados foram dois dos mais importantes para esta caracterização e descrevem-se de seguida: i) ensaio de reologia e; ii) ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) Ensaio de reologia O ensaio de reologia permite caracterizar o comportamento viscoelástico do betume, numa gama alargada de temperaturas, e fornece características intrínsecas do material, tais como o módulo de rigidez, o módulo elástico e viscoso e o ângulo de fase para várias condições de temperatura e frequência. O estudo do comportamento reológico do betume tem como objetivo principal encontrar a relação entre a deformação e a tensão na amostra de betume, para diferentes tempos de aplicação da carga e temperaturas. Segundo a norma EN 14770, uma amostra de 1 mm de espessura é colocada entre dois pratos paralelos, com 40 mm de diâmetro, 42

63 Materiais e Métodos Experimentais em que um prato é fixo e o outro executa um movimento rotacional (criando assim uma deformação de torção, e medindo-se o esforço necessário para atingir essa deformação). Ambos os pratos, bem como a amostra de betume, encontram-se no interior do reómetro, aquecidos consecutivamente a várias temperaturas predefinidas. Para cada patamar de temperatura estipulado (30, 45, 60, 70 e 80 ºC) a amostra é sujeita a um nível de extensão de torção máxima controlada, que oscila numa gama de frequências de 0,1 Hz a 10 Hz, enquanto se regista o valor do torque aplicado pelo reómetro para atingir esse nível de extensão. O reómetro utilizado (Figura 28) possibilitou a utilização de uma gama maior de frequências, entre 0,1 a 20 Hz. Figura 28 - Reómetro AR-G2 utilizado no ensaio de reologia Ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) O ensaio de fluência e relaxamento (AASHTO TP70) permite determinar a recuperação elástica e não elástica duma amostra de betume, num ensaio de fluência e relaxamento a temperaturas elevadas. A recuperação não elástica é obtida através do indicador de deformação permanente (Jnr), que fornece uma estimativa da resistência à deformação permanente sob cargas repetidas. O ensaio é realizado num reómetro de pratos paralelos (Figura 29) e consiste em colocar uma amostra de betume com 1 mm de espessura, num prato de 22 mm à temperatura de 64 ºC, aplicando-se depois vários níveis de tensão de torção na amostra (25, 50, 100, 200, 400, 800, 1600 e 3200 Pa), apesar de apenas serem sugeridos na norma dois níveis de tensão, de 100 Pa e 3200 Pa. Cada ciclo de carga/recuperação demora 10 segundos. A carga é aplicada durante 43

64 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio 1 segundo, a que se seguem 9 segundos de recuperação. Este ciclo repete-se 10 vezes para cada nível de tensão. Figura 29 - Ensaio de fluência e relaxamento 4.6 Avaliação da recuperação elástica A avaliação da recuperação elástica consiste em avaliar a capacidade de uma amostra de betume modificado em recuperar elasticamente a sua forma inicial após ter sido sujeita a uma deformação, seja por tração, compressão ou torção. Os ensaios que permitiram avaliar esta propriedade foram os seguintes: i) ensaio do ductilómetro (tração); ii) ensaio de resiliência (compressão) e; iii) ensaio de fluência e relaxamento (torção) Ensaio realizado no ductilómetro O ensaio de resposta elástica ou recuperação elástica serve para determinação da elasticidade dos materiais betuminosos e, por consequência, da respetiva recuperação após deformação. A avaliação da recuperação elástica por meio de um ductilómetro é o ensaio prioritário e principal desta dissertação, na qual foi dada mais atenção e enfâse na realização do mesmo, bem como nos respetivos resultados, que serão abordados no capítulo seguinte. No ensaio de recuperação elástica é utilizado um ductilómetro, aparelho usado para medir a ductilidade dos materiais betuminosos. Neste equipamento é medida a capacidade de um ligante em recuperar a sua posição inicial, após ter sido tracionado 20 cm a uma temperatura de 25 C, à velocidade de 5 cm/min, segundo a norma EN Antes da execução deste ensaio é 44

65 Materiais e Métodos Experimentais necessário proceder à preparação do molde e da amostra, também especificados na norma, cuja explicação encontra-se apresentada já de seguida. A preparação do molde consistiu, simplesmente, em revestir a placa de base e o interior das laterais de cada um dos moldes com um agente de libertação, neste caso de silicone e de uma mistura de reforço (pó de talco com vaselina) de modo a garantir, posteriormente, uma adequada remoção da amostra moldada sem que ocorram perdas desta, como se pode observar na Figura 30. Além disso, por forma a garantir-se um melhor espalhamento do betume pelo molde optou-se por aquecer ligeiramente os moldes. a) b) Figura 30 - Preparação do molde: a) Agente de libertação utilizado e b) Molde revestido A preparação das amostras consistiu em, após finalizado o processo da preparação dos moldes, proceder ao seu enchimento com betume modificado e à sua conservação, durante 1 hora, à temperatura ambiente. De seguida, remove-se o excesso de amostra com uma espátula aquecida, ou seja, a amostra é rasada, como se pode observar na Figura 31. a) b) Figura 31 - Preparação da amostra: a) Enchimento do molde e b) Amostra a ser rasada Após este procedimento, colocaram-se as amostras no banho de água que se encontrava a 25 ºC, onde permaneceram durante 90 minutos e, após este tempo, as amostras encontram-se nas condições ótimas desejadas para efetuar o ensaio. Depois retiram-se as amostras da placa de 45

66 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio base, bem como as partes laterais do molde, e inicia-se o ensaio com as condições já atrás referidas (25 ºC de temperatura a 50 mm/min de velocidade), ou outras a estudar para fins de investigação. As três amostras preparadas para ensaio são esticadas, ou tracionadas (Figura 32), até atingir o deslocamento de 200 mm e, de seguida, as amostras são cortadas na secção central (obtendo-se duas metades que podem recuperar a deformação livremente). Finalmente, após 30 minutos de recuperação, é medida a distância entre as extremidades das duas metades, de modo a ser possível obter a recuperação elástica das amostras (Figura 33). Figura 32 - Amostras de betume no ductilómetro durante o ensaio Figura 33 - Amostras de betume após recuperação elástica A recuperação elástica é expressa em percentagem e representa o valor da média de três ensaios. Se as três amostras romperem, durante os ensaios de tração, é necessário relatar que a recuperação elástica não pode ser obtida sob as condições de ensaio definidas na norma. Embora este procedimento seja tipicamente realizado a uma temperatura de ensaio de 25 C ou 10 C, pode ser útil realizá-lo a diferentes temperaturas, especialmente para ligantes pouco ou altamente modificados. Contudo, nesta dissertação apenas se realizaram ensaios a 10 ºC e a 25 ºC, pois estas são as temperaturas de serviço mais correntes nos pavimentos para as quais há interesse em determinar a recuperação elástica dos diversos betumes modificados, pelo menos nesta configuração de ensaio. 46

67 Materiais e Métodos Experimentais Ensaio de resiliência O ensaio de resiliência (penetração e recuperação elástica), já mencionado e descrito anteriormente, dado que foi utilizado para realizar a caracterização básica dos diversos betumes, também pode ser utilizado para avaliar a recuperação elástica após aplicação de uma carga de compressão em condições predefinidas a 25 ºC. Nestes ensaios, a recuperação elástica da amostra é medida após 20 segundos da aplicação da deformação. Este ensaio é aqui referido de novo porque se considera pertinente a análise comparativa entre os diversos ensaios que permitem avaliar a recuperação elástica dos betumes modificados Ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) Do mesmo modo, o ensaio de fluência e relaxamento (MSCR), já mencionado e descrito anteriormente, também é aqui referido por permitir avaliar a recuperação elástica dos betumes modificados após aplicação de uma carga por torção em condições predefinidas a 64 ºC. A recuperação elástica da amostra é medida após 9 segundos da aplicação da deformação. Também aqui se refere de novo este ensaio no sentido de fazer uma análise comparativa entre diferentes métodos para avaliar a recuperação elástica de betumes modificados. 4.7 Caracterização da energia de deformação Este ensaio foi realizado segundo a norma EN 13589, pelo método força-ductilidade, que especifica os procedimentos do ensaio bem como a preparação e conservação das amostras. Para a determinação da energia de deformação, a norma utilizada foi a EN O ensaio consiste em tracionar as amostras de betume modificado num ductilómetro até 400 milímetros, a uma velocidade constante de 50 mm/min e à temperatura de ensaio de 5 ºC. Este ensaio também permite determinar a força máxima de tração ocorrida ao longo do mesmo. A preparação e conservação das amostras encontra-se descrita no ensaio de recuperação elástica com ductilómetro, uma vez que ambos os ensaios efetuam a mesma preparação, embora o molde utilizado neste caso (Figura 34) seja ligeiramente diferente do utilizado no ensaio de recuperação elástica. Após este procedimento, colocaram-se as amostras no banho de água que se encontrava a 5 ºC, onde permaneceram durante 90 minutos. Após este tempo, as amostras encontram-se nas condições ótimas desejadas para efetuar o ensaio. 47

68 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Figura 34 - Molde para o ensaio da energia de deformação Retiram-se as amostras da placa de base bem como as partes laterais do molde e inicia-se o ensaio a 5 ºC de temperatura e a uma velocidade de 50 mm/min. Para tornar possível a realização de ensaios a temperaturas inferiores à temperatura ambiente, montou-se o sistema de arrefecimento (banho maria arrefecido), como foi referido no Capítulo 3. Na Figura 35 é possível observar as amostras de ensaio dentro do molde e o respetivo ensaio no início do seu funcionamento. a) b) Figura 35 - a) Amostras moldadas antes do ensaio e b) Amostras a serem tracionadas durante ensaio Caso ocorra uma rutura frágil, quando o betume não atinge a deformação máxima desejada, é necessário repetir o ensaio. Se a segunda amostra também apresentar rutura frágil deve-se aumentar a temperatura de 5 ºC em 5 ºC até não se verificar rutura da amostra. Nesse caso, deve referir-se claramente que a energia de deformação e a força máxima de tração foram obtidas a uma temperatura diferente de ensaio. 48

69 Penetração a 25ᵒC (dmm) 5 ANÁLISE DE RESULTADOS 5.1 Introdução No presente capítulo vão ser apresentados os resultados obtidos dos ensaios referidos anteriormente bem como a respetiva análise e comparação dos betumes modificados em laboratório com o betume modificado comercial. Também será exposta uma comparação entre os diferentes métodos de ensaio sobre a mesma propriedade em estudo: a recuperação elástica. 5.2 Caracterização básica dos betumes modificados Ensaio de penetração a 25 ºC O ensaio de penetração a 25 ºC é um ensaio de caracterização básica fundamental para o estudo do comportamento dos betumes modificados, cujos resultados são apresentados na Figura Controlo A1 A2 A3 B1 B2 C D Figura 36 - Penetração a 25 ºC dos betumes modificados Como se pode verificar, a adição do óleo e do polímero SBS (A1, A2 e A3) provoca uma notável diferença nos valores de penetração, e esta diferença pode ser dividida em dois fatores: i) a quantidade de óleo ou ii) a quantidade de polímero. Ao manter a mesma quantidade de óleo (10 %) e aumentar a quantidade de polímero SBS (5 % para 6 %), ou seja, A3 e A1, respetivamente, o valor da penetração diminui, uma vez que o polímero SBS contribui para o aumento da rigidez do betume. Ao manter a mesma quantidade de SBS (5 %) e aumentar a quantidade de óleo (10 % para 12,5 %), ou seja, A3 para A2, respetivamente, o valor da 49

70 Resiliência (%) Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio penetração aumentou significativamente, e isto deve-se ao facto de que o óleo atua como um rejuvenescedor, contribuindo para a diminuição da rigidez. Comparativamente com o betume modificado comercial, é possível constatar que o betume modificado A1 apresenta uma penetração inferior, e que os betumes A2 e A3 apresentam uma penetração superior ao betume de controlo. Neste contexto, também se conclui que o betume ideal modificado com polímero SBS é o betume A3, com 5 % de SBS e 10 % de óleo, cujo valor de penetração se encontra mais próximo do betume de controlo. Relativamente à adição de borracha reciclada de pneus, verifica-se que para uma maior quantidade de borracha e de óleo (B1) o valor da penetração é ligeiramente superior em relação a betumes com menores quantidades (B2) e em relação ao betume modificado comercial (controlo). Quanto ao betume modificado com polietileno de alta densidade e com óleo (C), este apresenta uma penetração superior ao betume modificado comercial, contribuindo para uma ligeira diminuição da rigidez, contrariamente ao que se verificou para o betume modificado com SBS que contém as mesmas quantidades de óleo e de polímero (A1). Por último, o betume modificado com ácido polifosfórico (D) apresenta um valor de penetração um pouco inferior ao betume modificado comercial pois a adição deste ácido torna o betume mais duro. De uma forma geral, os vários betumes apresentam um valor de penetração próximo do valor de controlo, exceto o betume modificado com SBS e com a maior quantidade de óleo (A2), que apresenta o valor mais elevado de penetração (88 dmm) Ensaio de resiliência Na Figura 37 apresentam-se os resultados do ensaio de resiliência, outro dos ensaios de caracterização básica realizados neste trabalho Controlo A1 A2 A3 B1 B2 C D Figura 37 - Resiliência dos betumes modificados 50

71 Temperatura de amolecimento (ᵒC) Análise de Resultados Nesse ensaio foi possível observar que, em relação ao betume modificado A3, o aumento da quantidade de polímero SBS (A1) aumentou a resiliência, ao contrário do que se verifica para um aumento da quantidade de óleo (A2) onde a resiliência diminuiu. Comparativamente com o betume de controlo, estes betumes modificados com SBS apresentam um valor de resiliência muito superior. Posto isto, conclui-se que quanto maior a quantidade de polímero SBS maior o valor de resiliência e quanto maior a quantidade de óleo menor será a resiliência. No que diz respeito aos betumes modificados com borracha, estes apresentam uma resiliência semelhante à obtida com o polímero SBS, sendo significativamente superior ao betume de controlo. Também é possível observar que quanto maior a quantidade de borracha e de óleo no betume (B1) maior o valor de resiliência. Quanto aos betumes (C) e (D), com PEAD e com ácido polifosfórico, a resiliência obtida foi a mesma e é muito inferior aos restantes betumes, bem como ao betume modificado comercial. De uma forma geral, o betume modificado com maior quantidade de SBS e com a menor quantidade de óleo (A1) é o que apresenta o valor mais elevado de resiliência (38 %). Assim, pode-se concluir que os betumes modificados com elastómeros (SBS e borracha) apresentam uma boa resiliência, prevendo-se que apresentem uma boa resistência à deformação permanente no pavimento, enquanto os betumes modificados com plastómeros (PEAD) e PPA têm um desempenho insatisfatório neste ensaio Ensaio de determinação do ponto de amolecimento O ensaio de determinação do ponto de amolecimento (anel e bola), cujos resultados se apresentam na Figura 38, é um ensaio de caracterização básica relevante para conhecer o valor máximo de temperatura até onde o pavimento consegue manter alguma estabilidade Controlo A1 A2 A3 B1 B2 C D Figura 38 - Temperatura de amolecimento dos betumes modificados 51

72 Viscosidade (Pa.s) Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Verifica-se que os vários betumes modificados com o polímero SBS (A1, A2 e A3) apresentam uma diferença mínima entre si, acontecendo o mesmo com os dois betumes borracha (B1 e B2). Neste caso, a diferença nas quantidades de polímero e de óleo usados destes ligantes foi insignificante nos resultados deste ensaio. Comparativamente com o betume modificado de controlo, os betumes borracha (B1 e B2) e com PEAD (C) são os que apresentam uma temperatura de amolecimento mais semelhante, enquanto os betumes modificados com SBS apresentam valores muito superiores. O betume com PPA (D), sem polímeros, tem uma temperatura anel e bola inferior à do betume de controlo. Em geral, a temperatura de amolecimento do SBS é superior à dos restantes betumes modificados, mostrando, portanto, que este betume apresenta uma maior capacidade de resistir a deformações permanentes às temperaturas elevadas Ensaio de viscosidade rotacional Na Figura 39 apresentam-se os resultados do ensaio de viscosidade rotacional dos diferentes betumes modificados em estudo. 100,0 10,0 Controlo A2 B1 C A1 A3 B2 D 1,0 0, Temperatura (ᵒC) Figura 39 - Viscosidade dos betumes modificados Como esperado, os resultados demonstram que à medida que a temperatura aumenta, a viscosidade diminui, mas nem sempre de forma linear, como se pode verificar nos betumes modificados com SBS e com PEAD (com maior variabilidade da viscosidade com a temperatura). O betume que apresenta uma maior viscosidade é o betume A1 (com SBS), até à temperatura de 130 ºC e, a partir deste momento, é o betume B1 (com borracha), que apresenta 52

73 Análise de Resultados maior viscosidade. Quanto maior a viscosidade do betume, maior é a sua rigidez, sendo que o betume A1, modificado com SBS, apresenta-se como um dos mais rígidos e viscosos entre os betumes em estudo numa gama alargada de temperaturas (desde os 25 ºC da temperatura do ensaio de penetração até às temperaturas usadas neste ensaio). O que apresenta a menor viscosidade é o betume D, com ácido PPA, dado que foi o único que não foi modificado com polímeros. Ao aumentar a quantidade de polímero SBS, para a mesma quantidade de óleo, constata-se que a viscosidade aumenta ligeiramente. Ao aumentar a quantidade de óleo, para a mesma quantidade de SBS, a viscosidade diminui. Por outro lado, ao aumentar a quantidade de borracha e óleo verifica-se que a viscosidade aumenta de forma notável. Comparativamente com o betume modificado comercial, de controlo, os betumes com a viscosidade mais próxima são o betume B2 e C, embora os betumes A2 e A3 também tenham algumas semelhanças para temperaturas acima de 130 ºC. Neste contexto, conclui-se que estes quatro betumes apresentam uma viscosidade mais adequada, uma vez que não varia muito do betume de controlo, para futuras aplicações em pavimentação rodoviária. Por outro lado, os betumes A1 e B1 apresentam viscosidades muito elevadas que podem dificultar a sua aplicação em obra. 5.3 Caracterização avançada dos betumes modificados Ensaio de reologia O ensaio de reologia é usado para caracterização avançada e fornece informações relevantes quanto à rigidez do betume e à sua resposta viscoelástica do betume. Também permite determinar a resistência à deformação permanente através da determinação da temperatura máxima para garantir um bom desempenho do betume em serviço, como já foi mencionado anteriormente. Contudo, neste trabalho apenas se deu ênfase ao módulo elástico (Figura 40) e viscoso, uma vez que estas são as propriedades mais diretamente relacionadas com o tema desta dissertação, ou seja, com a recuperação elástica dos betumes modificados. Relativamente às curvas mestras do módulo elástico constata-se que a baixas frequências (elevadas temperaturas) os betumes modificados com os polímeros SBS e PEAD apresentam um maior módulo elástico comparativamente com o betume modificado comercial (maior resistência à deformação permanente), e que os betumes modificados com borracha e com o ácido PPA apresentam um módulo elástico inferior. 53

74 Módulo elástico - G' (Pa) Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio 1,0E+07 1,0E+05 1,0E+03 Controlo A1 1,0E+01 A2 A3 B1 B2 C D 1,0E-01 1,0E-03 1,0E-01 1,0E+01 1,0E+03 1,0E+05 Frequência (Hz) Figura 40 - Módulo elástico dos betumes modificados em estudo Por outro lado, a altas frequências (baixas temperaturas) os vários betumes modificados apresentam um módulo elástico próximo do betume de controlo, sendo o módulo dos betumes modificados com borracha (B1 e B2) coincidente com o do betume de controlo e o módulo do betume A2 o único que é ligeiramente inferior (ao ter mais óleo). O betume com o maior módulo elástico é o modificado com maior quantidade de SBS (A1), tanto a temperaturas baixas como elevadas, e assim deverá ter maior resistência à deformação, maior módulo de rigidez e maior recuperação elástica. Nas temperaturas baixas, o betume modificado com a menor quantidade de SBS e maior quantidade de óleo (A2) exibe o menor módulo elástico, o que implica um menor módulo de rigidez deste betume. Nas temperaturas altas, o betume com menor módulo elástico é o betume D, modificado com ácido PPA, que deverá ter menor resistência à deformação permanente (dado que esta é promovida pela modificação com polímeros). Analisando o betume modificado com borracha constata-se que o betume com maiores quantidades de borracha e de óleo (B1) apresenta um maior módulo elástico do que o betume B2, ou seja, é mais resistente à deformação permanente. Com esta análise conclui-se que o aumento da quantidade de óleo e a diminuição da quantidade de polímero reduzem o módulo elástico dos betumes modificados. Além disso, verifica-se que os betumes mais adequados para utilização em locais com temperaturas elevadas são os modificados com polímero SBS e PEAD. Relativamente ao módulo viscoso (Figura 41), este encontra-se essencialmente relacionado com o desempenho à deformação permanente e, assim, quanto maior o módulo viscoso, maior será a resistência do betume à deformação permanente. 54

75 Módulo viscoso - G'' (Pa) Análise de Resultados 1,0E+07 1,0E+05 1,0E+03 Controlo A1 1,0E+01 A2 A3 B1 B2 C D 1,0E-01 1,0E-03 1,0E-01 1,0E+01 1,0E+03 1,0E+05 Frequência (Hz) Figura 41 - Módulo viscoso dos betumes modificados em estudo De um modo geral, é possível observar que todos os betumes modificados apresentam um comportamento semelhante ao betume modificado comercial, a altas e baixas frequências (baixas e altas temperaturas, respetivamente), com exceção do betume modificado com a maior quantidade de borracha e de óleo (B1), cujo comportamento se afasta ligeiramente, a temperaturas intermédias, do betume de controlo. Também é possível verificar que para baixas frequências (altas temperaturas) apenas o betume modificado com ácido PPA (D) apresenta um módulo viscoso inferior ao betume de controlo, confirmando a menor resistência deste betume à deformação permanente. Nas altas frequências (baixas temperaturas) os betumes A1, A3, C e D apresentam um módulo viscoso superior ao betume de controlo. Em termos de conclusão, uma vez que o betume A1 apresenta o maior módulo viscoso, a altas e baixas temperaturas, então é o betume mais resistente à deformação permanente. O betume menos resistente a altas temperaturas é o betume D, enquanto para baixas temperaturas é o betume A2 (maior quantidade de óleo). Assim, a não utilização de polímeros e a utilização de elevadas quantidades de óleo são os fatores com influência negativa na resistência à deformação. Elevados valores do módulo viscoso e reduzidos valores do módulo elástico indicam que o betume apresenta uma maior componente viscosa em relação à componente elástica e, neste caso, a recuperação elástica e a trabalhabilidade do betume modificado são insuficientes a temperaturas elevadas. Além disso, está comprovado que o módulo viscoso é mais sensível à temperatura comparativamente com o módulo elástico (Dong et al., 2016). Neste contexto, observando o comportamento dos betumes modificados a elevadas temperaturas, constata-se 55

76 Jnr- Indicador da deformação permanente (kpa -1 ) Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio que os betumes modificados com borracha e com ácido PPA apresentam um elevado módulo viscoso e reduzido módulo elástico, ou seja, para estes betumes a recuperação elástica e a trabalhabilidade serão insuficientes. Para temperaturas mais baixas (30 ºC), correspondente ao maior valor da frequência, o módulo viscoso e o módulo elástico dos betumes modificados apresentam valores muito próximos, não sendo possível executar a mesma análise ao nível da recuperação elástica e da trabalhabilidade, sem efetuar uma comprovação através da avaliação da recuperação elástica que se encontra descrita mais à frente, nesta dissertação. Como conclusão, a utilização de polímeros na modificação de betumes proporciona a obtenção de pavimentos flexíveis a baixas temperaturas e mais resistentes à deformação permanente a temperaturas elevadas Ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) Como já foi mencionado anteriormente, o ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) permite avaliar, a temperaturas elevadas, a resposta elástica e não elástica após aplicação de uma carga por torção. Contudo, nesta secção aborda-se apenas a parte não elástica, indicadora da resistência à deformação permanente, cujos resultados são apresentados na Figura 42. Quanto maior o valor do indicador de deformação permanente (Jnr) menor será a resistência à deformação permanente desse betume modificado. A parte elástica (recuperação elástica) encontra-se descrita e analisada de seguida, na secção referente à avaliação da recuperação elástica através de vários ensaios ,1 0,01 Elaster A1 A2 A3 B1 B2 C D 0,001 0,01 0, Tensão (kpa) Figura 42 - Deformação não recuperada (indicador de deformação permanente) dos betumes em estudo a 64 ºC 56

77 Análise de Resultados Verifica-se que o betume D, com ácido PPA, apresenta o maior valor do indicador ao longo dos níveis de tensão aplicados, prevendo-se que apresente a menor resistência à deformação permanente. Por outro lado, o betume A1 apresenta o menor valor do indicador para tensões elevadas, o que demonstra uma maior resistência à deformação permanente sob cargas elevadas, que é superior à do betume de controlo a todos os níveis de tensão. Para baixas tensões, os betumes modificados com o polímero SBS apresentam uma maior resistência à deformação permanente, e em especial o betume A2 ostenta o menor valor do indicador da deformação permanente. No entanto, este mesmo betume A2 revela um comportamento instável à medida que aumenta a tensão aplicada (que deve resultar da maior quantidade de óleo usada), uma vez que para baixas tensões apresenta a melhor resistência à deformação permanente, enquanto para níveis de tensão elevadas revela a pior resistência. Relativamente aos betumes modificados com borracha, verifica-se que o betume B1, com maior quantidade de borracha e óleo, apresenta menores valores do indicador Jnr para os vários níveis de tensão aplicados e, portanto, apresenta uma maior resistência à deformação permanente em relação ao betume borracha B2. O betume C apresenta elevados valores do indicador de deformação permanente e um aumento do indicador à medida que a tensão aumenta, não sendo por isso a melhor solução em estudo. Comparativamente com o betume modificado comercial de controlo, apenas o betume B2 e D revelam valores superiores do indicador Jnr para todos os níveis de tensão, e assim menor resistência à deformação permanente. Os restantes betumes encontram-se geralmente abaixo do Elaster para os níveis de tensão aplicada, ou seja, possuem maior resistência às deformações permanentes. A tensão mais elevada aplicada no ensaio (3,2 kpa), juntamente com a elevada temperatura utilizada no mesmo, simulam da melhor forma as condições mais desfavoráveis de um pavimento. Assim, o betume que possui o melhor desempenho à deformação não recuperada (deformação permanente), nessas condições, é o betume A1 (com maior quantidade de polímero SBS). Estes resultados vão de encontro aos resultados obtidos anteriormente no ensaio de reologia (módulo viscoso) e no ensaio de temperatura de amolecimento. 5.4 Avaliação da recuperação elástica Ensaio realizado no ductilómetro A recuperação elástica (RE), expressa em percentagem, é uma propriedade fundamental dos betumes modificados, uma vez que fornece informações relevantes sobre a capacidade destes ligantes recuperarem a sua forma inicial após terem sofrido uma deformação pela aplicação de 57

78 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio cargas. No caso do ensaio de tração realizado no ductilómetro, esse valor é obtido pelo quociente da distância medida entre as extremidades das duas metades de amostra (d) pelo comprimento de alongamento (L), que a norma estabelece como sendo igual a 200 mm. Figura 43 Amostras de betume modificado com o polímero SBS durante recuperação elástica a 25 ºC Após realizado o ensaio, e depois de determinadas todas as distâncias correspondentes, foram obtidos os resultados finais da recuperação elástica. De seguida são apresentados esses resultados (Tabelas 3 a 10) para todos os betumes modificados em estudo, bem como informação complementar de evolução da força de tração com o deslocamento (Figuras 44 a 51) durante a fase da aplicação do esforço de tração. Relativamente ao ensaio efetuado com o betume modificado comercial (controlo), e observando a Tabela 3, verifica-se que este betume obteve muito bons resultados da recuperação elástica (82,5 %). Os resultados de cada amostra apresentam uma dispersão quase nula, tanto na recuperação elástica como na força máxima, indicando que as condições de ensaio foram favoráveis à sua realização. Na Figura 44 é possível observar o comportamento semelhante das três amostras ao longo do ensaio, ou seja, aumento da força para iniciar a deformação da amostra até atingir o limite superior da tensão da cedência seguida de uma diminuição da força à medida que a deformação aumenta (amostra entra em cedência). Tabela 3 Resultados da recuperação elástica do betume modificado de controlo Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 166,0 164,0 165,0 165,0 L (mm) 200,0 200,0 200,0 200,0 RE (%) 83,0 82,0 82,5 82,5 Força máxima (N) 2,3 2,4 2,3 2,3 58

79 Força (N) Força (N) Força (N) Força (N) Análise de Resultados 2,5 2,0 2,5 a) b) 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Figura 44 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado de controlo Quanto ao ensaio com o betume A1, modificado com maior quantidade de SBS, observa-se um elevado valor de recuperação elástica, de 92,5 % (Tabela 4). Quanto ao valor da força máxima (6,4 N), o betume com A1 apresenta um valor bem superior ao do betume de controlo, pois este betume é menos deformável e necessita de maior força para atingir a mesma deformação. Pela Figura 45 observa-se que o comportamento das amostras é semelhante ao verificado no betume de controlo, mas os resultados das três amostras apresentam uma maior dispersão. Tabela 4 Resultados da recuperação elástica do betume modificado A1 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 183,0 187,0 185,0 185,0 L (mm) 200,0 200,0 200,0 200,0 RE (%) 91,5 93,5 92,5 92,5 Força máxima (N) 6,7 7,1 5,4 6,4 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Figura 45 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A1 8,0 a) b) 7,0 59

80 Força (N) Força (N) Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Em resumo, comparativamente com o betume de controlo, este betume modificado A1 apresenta uma recuperação elástica superior, devido à presença do polímero SBS que fornece uma maior elasticidade ao betume e um excelente comportamento à tração. Em relação ao betume modificado A2 (com menor quantidade de SBS e maior quantidade de óleo) é possível constatar, na Tabela 5, que este revela resultados excelentes de recuperação elástica (98,3 %), que são superiores aos betumes de controlo e ao betume A1. No que diz respeito ao valor da força máxima, de 2,5 N, este valor é semelhante ao betume de controlo, mas inferior ao do betume A1, o que demonstra não haver uma relação direta entre a força de tração e a recuperação elástica dos betumes modificados. A menor força de tração do betume A2 resulta da utilização de maior quantidade óleo, que facilita a sua deformação, mas que ao mesmo tempo deve permitir uma maior recuperação elástica em conjugação com o SBS. Na Figura 46 verifica-se que o comportamento das amostras difere do comportamento das amostras do betume A1, onde estas apresentam apenas o aumento da força de tração ao longo da sua deformação. A razão de todas estas diferenças verificadas para este betume deve-se ao aumento da quantidade de óleo e diminuição da quantidade de SBS, onde o óleo atua como um lubrificante facilitando o comportamento do betume à tração e melhorando o desempenho do polímero SBS quanto à recuperação elástica. Tabela 5 Resultados da recuperação elástica do betume modificado A2 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 192,0 199,0 198,5 196,5 L (mm) 200,0 200,0 200,0 200,0 RE (%) 96,0 99,5 99,3 98,3 Força máxima (N) 2,5 2,6 2,5 2,5 3,0 2,5 a) b) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Figura 46 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A2 60

81 Força (N) Força (N) Análise de Resultados No que concerne ao betume A3, que também é modificado com SBS, é de notar que o valor da recuperação elástica apresentado na Tabela 6 (86,7 %) é inferior ao verificado nos betumes modificados A1 e A2 devido, respetivamente, à diminuição da quantidade de polímero e de óleo. No entanto, o comportamento das amostras durante o ensaio (Figura 47) revela-se semelhante ao comportamento do betume modificado A1, uma vez que ambos possuem a mesma quantidade de óleo. Assim, é possível deduzir que a quantidade de óleo influencia de forma mais significativa o comportamento do betume à tração a 25 ºC. Comparativamente com o betume de controlo, o betume modificado A3 apresenta um valor de recuperação elástica e uma força máxima um pouco superior, confirmando a vantagem da modificação com SBS quando o betume é sujeito a esforços de tração e a sua menor deformação permanente. Tabela 6 Resultados da recuperação elástica do betume modificado A3 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 181,0 167,0 172,0 173,3 L (mm) 200,0 200,0 200,0 200,0 RE (%) 90,5 83,5 86,0 86,7 Força máxima (N) 3,5 3,5 3,3 3,4 4,0 3,0 4,0 a) b) 3,0 2,0 2,0 1,0 1,0 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Figura 47 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A3 No que diz respeito aos ensaios efetuados com os betumes modificados com borracha, verificou-se a ocorrência da rutura das amostras antes de estas atingirem o comprimento de alongamento especificado de 200 mm. Apesar disso, e segundo a norma, nos casos em que isto se verifica o ensaio também pode ser considerado válido, e nesse caso as distâncias da rutura entre as duas metades das amostras devem ser medidas, bem como a respetiva recuperação elástica. Na Tabela 7 e na Figura 48 pode observar-se que as várias amostras do betume 61

82 Força (N) Força (N) Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio modificado B1 romperam em momentos diferentes, mas antes de se deformarem 200 mm. Assim, os valores do alongamento na rotura foram tomados como referência para obter o valor final da recuperação elástica de cada amostra (em vez do comprimento de 200 mm definido na norma). Deste modo, constata-se que os valores da recuperação elástica e da força máxima de cada amostra não diferem muito entre amostras, verificando-se uma diminuição suave da força ao longo do ensaio, comportamento esse que difere do verificado nos betumes modificados de controlo e com SBS. Isto ocorre porque na borracha não existe a criação de cadeias poliméricas que permitem manter uma resistência à tração suficiente para alongamentos elevados. Para o betume modificado com borracha B1, em termos médios, o comprimento de alongamento na rotura foi de 111,9 mm, a recuperação elástica foi de 61,7 % e a força máxima obtida durante o ensaio foi de 4,4 N. Comparativamente com o betume de controlo, este betume apresenta uma recuperação elástica muito inferior, revelando não ter um desempenho adequado no que diz respeito a esta importante propriedade. Tabela 7 Resultados da recuperação elástica do betume modificado B1 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 67,7 75,00 64,2 69,0 L (mm) 111,0 122,3 102,5 111,9 RE (%) 61,0 61,3 62,6 61,7 Força máxima (N) 4,3 4,4 4,4 4,4 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 5,0 a) b) 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Figura 48 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado B1 No que concerne ao ensaio do betume modificado com borracha B2 (Tabela 8 e Figura 49) verifica-se o mesmo tipo de comportamento indicado para o betume modificado B1. Contudo, estas amostras registaram um comprimento de alongamento médio superior (124 mm), mas por 62

83 Força (N) Força (N) Análise de Resultados outro lado uma recuperação elástica inferior (56,2 %). Estes resultados devem-se à menor quantidade de borracha e de óleo utilizada, que condicionaram a recuperação elástica do betume. Comparativamente com o betume de controlo, este betume apresenta uma recuperação elástica significativamente inferior, tal como já se tinha verificado para o betume B1. Tabela 8 Resultados da recuperação elástica do betume modificado B2 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 66,0 73,0 69,9 69,6 L (mm) 116,7 130,7 124,6 124,0 RE (%) 56,6 55,9 56,1 56,2 Força máxima (N) 4,5 4,4 4,3 4,4 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 5,0 a) b) 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Figura 49 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado B2 Relativamente ao ensaio do betume C, modificado com PEAD, é de notar, novamente, que as amostras apresentam uma rutura antes do valor de 200 mm, tal como se verificou para os betumes modificados com borracha. Observando a Tabela 9 e a Figura 50 verifica-se que o comprimento de alongamento médio, de 155,5 mm, foi superior ao registado nos ensaios com os betumes modificados com borracha e, consequentemente, a recuperação elástica é inferior. Tabela 9 Resultados da recuperação elástica do betume modificado C Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 60,0 35,0 66,0 53,7 L (mm) 155,6 164,0 146,9 155,5 RE (%) 38,6 21,3 44,9 34,9 Força máxima (N) 4,6 4,1 4,8 4,5 63

84 Força (N) Força (N) Força (N) Força (N) Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 5,0 a) b) 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Figura 50 a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado C O momento de rutura das amostras ocorreu de uma forma suave, uma vez que é um betume mais deformável em relação aos betumes modificados com borracha, devido ao comportamento plástico do PEAD, que não é um elastómero. Pelas mesmas razões, este betume apresenta uma recuperação elástica significativamente inferior em comparação com o betume de controlo. Por último, o betume modificado com ácido polifosfórico PPA (D) revela ter resultados de recuperação elástica pouco satisfatórios (Tabela 10 e Figura 51), de apenas 18,7 %. Tabela 10 Resultados da recuperação elástica do betume modificado D Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 46,0 30,0 36,0 37,3 L (mm) 200,0 200,0 200,0 200,0 RE (%) 23,0 15,0 18,0 18,7 Força máxima (N) 3,5 3,5 3,6 3,5 4,0 3,0 4,0 a) b) 3,0 2,0 2,0 1,0 1,0 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Deslocamento (m) Figura 51 a) Força das 3 amostras e b) força média do modificado betume D 64

85 Recuperação elástica (%) Análise de Resultados Esse resultado demonstra que a modificação com ácido PPA não é satisfatória como alternativa ao uso de polímeros elastómeros caso seja necessário garantir uma adequada recuperação elástica. Comparativamente com o betume de controlo, o betume com PPA apresenta uma redução drástica da recuperação elástica, sendo esta praticamente inexistente. Fazendo uma análise comparativa dos diversos betumes modificados, com base na Figura 52, constata-se que o betume modificado com SBS e com a maior quantidade de óleo (A2) apresenta a maior recuperação elástica, e que o betume modificado com ácido PPA (D) apresenta o menor valor da recuperação elástica em relação aos restantes betumes modificados em estudo. Para além disso, verifica-se que os três betumes modificados com SBS apresentam uma recuperação elástica superior à do betume de controlo, sendo soluções alternativas viáveis, enquanto os restantes betumes apresentam uma recuperação elástica menor Controlo A1 A2 A3 B1 B2 C D Figura 52 Recuperação elástica a 25 ºC dos diversos betumes modificados Segundo a especificação do Caderno de Encargos das Infraestruturas de Portugal, a recuperação elástica a 25 ºC para betumes modificados semelhantes ao betume de controlo (PMB 45-80/60) deve ser igual ou superior a 70 %. Neste contexto, o betume de controlo e o betume modificado com SBS apresentam uma recuperação elástica superior ao valor especificado, enquanto os restantes betumes apresentam uma recuperação elástica inferior. Os betumes modificados com borracha apresentam um valor próximo do especificado, mas insuficiente para cumprir os requisitos exigidos ao betume de controlo, uma vez que estes betumes possuem óleo. Em termos de conclusão, e uma vez que os betumes com SBS têm a melhor recuperação elástica, é de prever que os mesmos apresentem a melhor resistência à deformação permanente e ao 65

86 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio fendilhamento térmico, ao contrário do betume modificado com ácido PPA, que apresenta o pior resultado de recuperação elástica. Para completar a avaliação da recuperação elástica com o ductilómetro foram ainda executados dois ensaios com o betume de controlo, em diferentes condições de ensaio, para avaliar a influência da temperatura e da velocidade. Assim, executou-se um ensaio a uma temperatura diferente (10 ºC), mantendo a velocidade base de 50 mm/min (Figura 53), e outro ensaio a uma velocidade diferente (40 mm/min) mantendo a temperatura base de 25 ºC. Figura 53 Betume de controlo após recuperação elástica a 10 ºC Os resultados desses ensaios são apresentados nas Tabelas 11 e 12 e na Figura 54. Tabela 11 Resultados da recuperação elástica do betume de controlo a 10 ºC e 50 mm/min Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 153,0 152,0 151,0 152,0 L (mm) 200,0 200,0 200,0 200,0 RE (%) 76,5 76,0 75,5 76,0 Força máxima (N) 35,8 36,8 38,0 36,9 Tabela 12 Resultados da recuperação elástica do betume de controlo a 40 mm/min e a 25 ºC Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média d (mm) 160,0 159,0 170,0 163,0 L (mm) 200,0 200,0 200,0 200,0 RE (%) 80,0 79,5 85,0 81,5 Força máxima (N) 2,1 2,2 2,2 2,2 Nestes ensaios conclui-se que apenas a modificação da temperatura provoca uma alteração mais notória da recuperação elástica. Neste caso, a diminuição da temperatura de 25 ºC para 10 ºC 66

87 Recuperação elástica (%) Análise de Resultados provocou uma diminuição na recuperação elástica de 83 % para 76 %, o que continua a ser uma ótima recuperação elástica do betume a uma temperatura muito inferior Controlo (a 25ᵒC e 50 mm/min) 76 Controlo (a 10ᵒC) 82 Controlo (a 40 mm/min) Figura 54 Recuperação elástica do betume de controlo para diferentes condições de ensaio No ensaio em que se diminuiu a velocidade (de 50 para 40 mm/min) verificou-se uma alteração mínima da recuperação elástica, de 83 % para 82 %, sendo possível concluir que a velocidade de deformação à tração de um betume modificado praticamente não afeta as suas propriedades de recuperação elástica, ao contrário da variação da temperatura Análise comparativa dos ensaios: ductilómetro e resiliência Uma vez que a análise dos resultados obtidos no ensaio de resiliência foi realizada anteriormente, procede-se, de seguida, a uma análise comparativa das propriedades de recuperação elástica dos betumes modificados medidas nesse ensaio em relação ao ensaio efetuado por meio do ductilómetro. Como se pode notar, ambos os ensaios medem a mesma propriedade (recuperação elástica), mas o ensaio de resiliência é realizado em compressão, enquanto o ensaio com o ductilómetro é realizado à tração. Deste modo, não é expectável que haja uma relação direta dos resultados de recuperação de cada ensaio. De facto, observando as Figuras 37 e 52 é possível concluir que o aumento da quantidade de óleo de motor para a mesma quantidade de polímero SBS (A2 e A3) afeta negativamente o comportamento elástico à compressão e, por outro lado, beneficia o comportamento à tração. Por outro lado, o aumento do polímero SBS para a mesma quantidade de óleo (A1 e A3), beneficia o comportamento tanto à compressão como à tração. Neste contexto, conclui-se que o óleo de motor é o constituinte que afeta mais significativamente os 67

88 Recuperação elástica (%) Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio resultados dependendo da condição de aplicação da carga. Também se verifica que o aumento da quantidade de borracha e de óleo proporciona um aumento da recuperação elástica tanto à compressão como à tração. De salientar que os valores da recuperação elástica obtidos no ensaio de resiliência diferem de forma notável do ensaio com o ductilómetro, não só pelo facto de serem realizados sob condições de aplicação de cargas diferentes, mas também porque a deformação imposta na amostra de betume é muito distinta (no ensaio de resiliência o deslocamento aplicado é de 10 mm, enquanto no ensaio do ductilómetro o deslocamento é de 200 mm) Ensaio de fluência e relaxamento (MSCR) Por último, também se avaliou a recuperação elástica dos betumes modificados aplicando esforços de torção, a uma temperatura de 64 ºC, no ensaio de fluência e relaxamento (MSCR), cujos resultados são apresentados na Figura 55, como se referiu anteriormente ,01 0,1 Tensão (kpa) 1 10 Figura 55 - Recuperação elástica dos betumes em estudo a 64 ºC Elaster A1 A2 A3 B1 B2 C D Constata-se que, de entre os betumes modificados com polímero SBS, o betume A2 apresenta um decréscimo acentuado da recuperação elástica a partir de 1 kpa e apresenta a melhor recuperação para baixas tensões (cerca de 100%), enquanto o betume A1 apresenta melhores resultados para elevadas tensões. Quanto aos betumes modificados com borracha, o betume B1 apresenta uma melhor recuperação a todos os níveis de tensão comparativamente com o betume B2 (que exibe uma recuperação elástica muito reduzida). O betume C, com PEAD, apresenta um comportamento semelhante ao betume B1, mas em geral um pouco inferior. Em relação ao 68

89 Análise de Resultados betume D, com ácido PPA, este apresenta o pior resultado de recuperação elástica para todos os níveis de tensão aplicada. Como já foi referido anteriormente (no ensaio para a deformação não recuperada), os resultados para elevadas tensões são considerados mais relevantes por serem os mais representativos das deformações nos pavimentos. Nessas condições, e comparativamente com o betume de controlo, os betumes modificados com polímero SBS apresentam a maior percentagem de recuperação elástica e os betumes B2 e D apresentam o pior resultado nesta propriedade. Os betumes B1 e C também apresentam uma reduzida recuperação elástica para elevadas tensões, inferior ao betume de controlo. De uma forma geral, conclui-se que o betume A1 é o betume que revela o melhor desempenho a nível da recuperação elástica neste ensaio, tanto a baixas como elevadas tensões, e o betume D o que apresenta o pior desempenho. Esta mesma conclusão também se verificou no ensaio do ductilómetro e no ensaio de resiliência, o que demostra haver alguma consistência nas várias configurações de ensaio para seleção dos betumes modificados a selecionar e a rejeitar. Ao relacionar estes ensaios que avaliam a recuperação elástica é possível ainda concluir que o aumento da quantidade de óleo de motor para a mesma quantidade de polímero SBS (A2 e A3) afeta o comportamento elástico à compressão e beneficia o comportamento à tração e à torção. Por outro lado, o aumento da quantidade de polímero SBS para a mesma quantidade de óleo (A1 e A3) beneficia o comportamento em todas as configurações de ensaio. 5.5 Caracterização da energia de deformação O último ensaio efetuado neste trabalho foi o de caracterização da energia de deformação (E), expressa em joules (J), que permite avaliar qual a energia dissipada pelas amostras de betume a uma temperatura de 5 ºC até atingir um determinado deslocamento, neste caso, de 400 mm. Como já foi referido anteriormente, este ensaio foi efetuado segundo a norma EN 13703, e a energia de deformação é o parâmetro principal medido. O resultado final é apresentado com a denominação de energia convencional (E ), considerada também como uma energia de deformação que é obtida pelo quociente entre a energia de deformação e a área transversal inicial da zona central do molde (1 cm 2 ). De referir que a energia de deformação é obtida pela área do gráfico tensão vs. extensão, ou força vs. deformação, no ensaio de tração realizado no ductilómetro. Como especificado, determinou-se a energia convencional para um deslocamento de 200 mm e para 400 mm, sendo a diferença entre estes valores o valor final utilizado como critério de especificação (no Caderno de Encargos das Infraestruturas de Portugal) para a 69

90 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio avaliação da coesão de betumes modificados. Os betumes com maior energia de deformação e coesão serão os mais indicados para utilização em pavimentação, pela sua maior ductilidade, flexibilidade e resistência à fratura a temperaturas reduzidas. Convém ainda referir que o ensaio só pode ser realizado após concluída a melhoria do ductilómetro referida no Capítulo 3. Após realizado o ensaio pelo método força-ductilidade (Figura 56) dos vários betumes em estudo, foram determinadas as energias de deformação correspondentes. No entanto, apenas são apresentados os resultados para os betumes de controlo, A1, A3 e D, por serem os mais interessantes para a análise a efetuar. De facto, o betume de controlo permite efetuar uma comparação de resultados, os betumes A1 e A3 são betumes modificados com o mesmo polímero (SBS) mas com quantidades de polímero diferentes, e o betume D, modificado com ácido PPA, apresenta um comportamento muito diferentes dos restantes por não usar polímeros na sua modificação, como se vai comprovar posteriormente. Os resultados apresentados permitem, também, realizar uma comparação em termos de dispersão de resultados. Figura 56 - Amostras do betume de controlo durante o ensaio A Tabela 13 apresenta os resultados do betume modificado de controlo, nomeadamente a força das três amostras ao longo do ensaio até ao ponto de rutura das mesmas e a força média destas amostras até ao alongamento exigido na norma (400 mm). Optou-se por executar o ensaio até à rutura das amostras, registando a força e energia de rutura e a extensão efetuada, de modo a obter conclusões adicionais sobre os betumes modificados. Observa-se que as três amostras apresentam uma diferença mínima nos resultados, com exceção do momento de rutura da amostra 3 que ocorreu para uma carga superior às restantes amostras. Esta variação deve-se às condições externas e às condições do ensaio, nomeadamente pelo cuidado que é necessário ter na preparação das amostras para ensaio no ductilómetro. Em termos médios, o betume apresenta uma energia de deformação de 10,6 J/cm 2 para 400 mm e de 5,6 J/cm 2 para 200 mm, sendo o valor final da energia de deformação ou coesão para este betume de 5,0 J/cm 2, o que indica que 70

91 Força (N) Força (N) Análise de Resultados as amostras, ao longo do ensaio, dissiparam bastante energia, tendo este betume elevada ductilidade. A força máxima de 55,8 N atingida no ensaio é elevada, como consequência da menor temperatura a que foi realizado este ensaio (5 ºC), mas também da elevada resistência à tração deste betume modificado. Na Figura 57 é possível observar uma reduzida dispersão de resultados. Além disso, verifica-se que quando se inicia a deformação das amostras, estas apresentam uma evolução rápida da força até esta atingir o pico máximo (limite superior da tensão de tração). Tabela 13 - Resultados do ensaio da energia de deformação para o betume de controlo Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média E 0,4 (J) 10,6 10,7 10,6 10,6 E' 0,4 (J/cm 2 ) 10,6 10,7 10,6 10,6 E 0,2 (J) 5,6 5,7 5,6 5,6 E' 0,2 (J/cm 2 ) 5,6 5,7 5,6 5,6 E' 0,4 - E' 0,2 (J/cm 2 ) 5,0 5,0 5,0 5,0 Força máxima (N) 55,3 56,3 55,8 55,8 Força rutura (N) 16,9 15,5 20,7 17,7 Extensão (m) 0,6 0,5 0,5 0,5 Energia de rutura (J) 15,0 13,4 13,9 14, a) b) ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deslocamento (m) Figura 57 - a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado do controlo Após atingir este pico e, à medida que a deformação da amostra aumenta, a valor da força vai diminuindo até atingir um determinado patamar (patamar de cedência) no qual não há variação da força (que passa ser suportada essencialmente pelos polímeros). Neste momento, com a deformação já imposta, o nível de força aplicada é muito inferior. A partir deste patamar o valor da força volta a aumentar ligeiramente, ocorrendo endurecimento por deformação das amostras, até atingir o ponto de rutura das amostras (rutura suave). Este é o comportamento esperado para betumes modificados dúcteis neste tipo de ensaio. 71

92 Força (N) Força (N) Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Para o betume modificado A1 (Tabela 14) constata-se que as três amostras apresentam uma reduzida diferença nos resultados e no respetivo momento de rutura, mesmo estando a caracterizar um betume produzido em laboratório com dois aditivos (SBS e óleo). Em termos médios, o betume A1 apresenta uma energia de deformação de 16,3 J/cm 2 aos 400 mm e de 8,3 J/cm 2 para 200 mm, sendo o valor final da energia de deformação ou coesão para este betume de 8,0 J/cm 2, um valor mais elevado do que o betume de controlo que indica que este betume consegue dissipar bastante energia e, por isso, é bastante dúctil. A força máxima é elevada e é de 86,0 N e a força de rutura de 53,5 N, valores consideravelmente superiores ao betume de controlo, que mostram a elevada resistência à deformação por tração do betume A1. Na Figura 58 observa-se uma reduzida dispersão de resultados e um comportamento das amostras semelhante ao verificado no betume de controlo, embora com valores de força superiores ao longo de todo o ensaio. Além disso, não há uma diminuição da força no momento próximo da rutura das amostras, indicando uma rutura menos suave (betume mais rígido). Tabela 14 - Resultados do ensaio da energia de deformação para o betume modificado A1 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média E 0,4 (J) 16,0 16,1 16,8 16,3 E' 0,4 (J/cm 2 ) 16,0 16,1 16,8 16,3 E 0,2 (J) 8,2 8,2 8,4 8,3 E' 0,2 (J/cm 2 ) 8,2 8,2 8,4 8,3 E' 0,4 - E' 0,2 (J/cm 2 ) 7,8 7,9 8,4 8,0 Força máxima (N) 84,0 84,8 89,1 86,0 Força rutura (N) 53,3 49,6 57,5 53,5 Extensão (m) 0,5 0,5 0,5 0,5 Energia de rutura (J) 21,7 19,6 20,7 20, a) b) ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deslocamento (m) Figura 58 - a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A1 72

93 Força (N) Força (N) Análise de Resultados Relativamente ao betume modificado A3 (Tabela 15) volta a notar-se uma reduzida dispersão dos resultados entre as três amostras. A extensão de rutura deste betume A3 é superior ao betume A1, o que indica que o aumento na quantidade de polímero SBS provoca uma redução na extensão máxima de tração do betume à temperatura de 5 ºC. Em termos médios, o betume apresenta uma energia de deformação de 8,4 J/cm 2 para 400 mm e de 4,7 J/cm 2 para 200 mm, sendo o valor final da energia de deformação ou coesão para este betume de 3,8 J/cm 2, valores que são inferiores ao betume A1 e de controlo, demostrando a importância que a quantidade de polímero desempenha neste ensaio. Comparativamente com o betume A1, a força máxima (47,3 N) e a força de rutura (38,2 N) também são menores, o que demonstra o papel fundamental do SBS na dissipação de energia e na resistência à tração destes betumes. Na Figura 59 verifica-se que as amostras têm pouca dispersão e apresentam o mesmo comportamento do betume modificado A1 e de controlo. Comparativamente com os betumes de controlo e A1, o betume A3 apresenta menores valores de força, ou seja, é menos dúctil. Tabela 15 - Resultados do ensaio da energia de deformação para o betume modificado A3 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média E 0,4 (J) 8,2 8,3 8,8 8,4 E' 0,4 (J/cm 2 ) 8,2 8,3 8,8 8,4 E 0,2 (J) 4,5 4,6 4,8 4,7 E' 0,2 (J/cm 2 ) 4,5 4,6 4,8 4,7 E' 0,4 - E' 0,2 (J/cm 2 ) 3,7 3,7 3,9 3,8 Força máxima (N) 44,9 46,9 49,9 47,3 Força rutura (N) 35,1 40,6 38,8 38,2 Extensão (m) 0,6 0,6 0,6 0,6 Energia de rutura (J) 14,3 14,8 16,2 15, a) b) ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deslocamento (m) Figura 59 - a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado A3 73

94 Avaliação da Recuperação Elástica de Ligantes Modificados com Diferentes Métodos de Ensaio Por fim, para o betume modificado com ácido PPA (D), ao realizar o ensaio com as condições habituais (5 ºC) as amostras romperam logo no início do ensaio, como consequência do elevado endurecimento do betume e da falta de ductilidade (Figura 60). Nestes casos, a norma aconselha o aumento da temperatura de ensaio para 10 ºC, ou até 15 ºC, até que o ensaio seja válido. Como se obteve um ensaio válido a 10 ºC, não houve necessidade de aumentar mais a temperatura. Figura 60 - Amostras de betume modificado D após ensaio a 5 ºC A dispersão dos resultados entre as amostras deste betume é pouco notória, cujos valores das energias se encontram muito próximos (Tabela 16). A rutura por tração a 10 ºC é muito suave, cujos valores da força de rutura são aproximadamente nulos (Figura 61) pela inexistência de polímeros a suportar a carga na fase de cedência. Verifica-se um comportamento muito distinto dos restantes betumes abordados anteriormente pelo facto de este ser o único betume modificado sem polímeros. Neste ensaio comprovou-se a elevada capacidade de o betume modificado com o ácido ser tracionado até extensões elevadas, superiores a 400 mm (Figura 62), embora com níveis de carga resistente quase nulas. Em termos médios, o betume apresenta uma energia de deformação de 4,3 J/cm 2 para 400 mm e de 3,8 J/cm 2 para 200 mm, sendo o valor final da energia de deformação de 0,5 J/cm 2. A força máxima foi de 53,4 N e a força de rutura de 0,02 N, o que indica que o ácido, como modificador, proporciona uma reduzida ductilidade no betume e consequente reduzida energia de deformação e coesão. Comparativamente com o betume de controlo, o betume D apresenta resultados muito inferiores e, logo, não é adequado para utilizações em pavimentos em que seja importante uma elevada ductilidade. 74

95 Força (N) Força (N) Análise de Resultados Tabela 16 - Resultados do ensaio da energia de deformação para o betume modificado D Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média E 0,4 (J) 4,3 4,4 4,2 4,3 E' 0,4 (J/cm 2 ) 4,3 4,4 4,2 4,3 E 0,2 (J) 3,8 3,9 3,8 3,8 E' 0,2 (J/cm 2 ) 3,8 3,9 3,8 3,8 E' 0,4 - E' 0,2 (J/cm 2 ) 0,5 0,6 0,4 0,5 Força máxima (N) 53,3 53,6 53,2 53,4 Força rutura (N) 0,001 0,067 0,000 0,020 Extensão (m) 0,8 1,4 0,6 0,9 Energia de rutura (J) 4,5 4,7 4,3 4, a) b) ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deslocamento (m) 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deslocamento (m) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Figura 61 - a) Força das 3 amostras e b) força média do betume modificado D Figura 62 - Amostra do betume modificado D durante ensaio Ao comparar os resultados deste ensaio para os vários betumes, pode-se verificar que o betume A1 apresenta um valor elevado da energia de deformação, superior ao betume A3 e este facto deve-se, essencialmente, ao aumento da quantidade de polímero SBS que proporciona um betume mais resistente e com uma maior força de ductilidade. Os valores das energias do betume A1 para alongamentos de 200 mm e de 400 mm aumentaram para o dobro, em relação ao betume A3, apenas com um aumento da quantidade de polímero SBS de 1 %. Um aumento 75