Materiais Betuminosos

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1 Disciplina: ETG033 Construção de Estradas e Vias Urbanas Profa. Jisela Aparecida Santanna Greco MATERIAIS PARA PAVIMENTAÇÃO Materiais Betuminosos Definição Materiais betuminosos são associações de hidrocarbonetos solúveis em bissulfeto de carbono. São subdivididos em duas categorias: os asfaltos e os alcatrões: Asfaltos: são obtidos através de destilação do petróleo. Podem ser naturais ou provenientes da refinação do petróleo. Alcatrões: são obtidos através da refinação de alcatrões brutos, que por sua vez vêm da destilação de carvão mineral. O alcatrão praticamente não é mais utilizado em pavimentação desde que se determinou o seu poder cancerígeno. Além disso, apresenta pouca homogeneidade e baixa qualidade para ser utilizado como ligante em pavimentação. Atualmente há a total predominância do ligante proveniente do petróleo na pavimentação, com o abandono do alcatrão. Dessa forma fica aceitável a utilização dos termos betume e asfalto como sinônimos (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares). Produção brasileira: A Petrobras possui nove conjuntos produtores e distribuidores de asfalto de petróleo no Brasil: Amazonas (Manaus: REMAN), Ceará (Fortaleza: LUBNOR), Bahia (Mataripe: RLAM), Minas Gerais (Betim: REGAP), Rio de Janeiro (Duque de Caxias: REDUC), São Paulo (Paulínia: REPLAN e São José dos Campos: REVAP), Paraná (Araucária: REPAR) e Rio Grande do Sul (Canoas: REFAP), além de uma unidade de exploração de xisto, localizada no Paraná, que produz insumos para pavimentação. Possui ainda fábricas de emulsões asfálticas pertencentes a Petrobras Distribuidora e laboratórios de análise em todas as suas 11 refinarias. Materiais betuminosos utilizados em pavimentação cimentos asfálticos de petróleo (CAP) asfaltos diluídos (ADP) emulsões asfálticas (EAP) asfaltos modificados por polímero (AMP) e asfaltos modificados por borracha (AMB) O CAP é a base de todos os outros produtos. 1

2 Cimentos Asfálticos de Petróleo (CAPs) São o produto básico da destilação do petróleo São semi-sólidos a temperatura ambiente, necessitando de aquecimento para adquirir consistência adequada para utilização Os CAPs são constituídos por 90 a 95% de hidrocarbonetos e por 5 a 10% de heteroátomos (oxigênio, enxofre, nitrogênio e metais vanádio, níquel, ferro, magnésio e cálcio) unidos por ligações covalentes. Os cimentos asfálticos de petróleos brasileiros têm baixo teor de enxofre e de metais, e alto teor de nitrogênio, enquanto os procedentes de petróleos árabes e venezuelanos têm alto teor de enxofre (Leite, 1999). A composição do CAP é bastante complexa, sendo que o número de átomos de carbono por molécula varia de 0 a 10. A composição varia com a fonte do petróleo, com as modificações induzidas nos processos de refino e durante o envelhecimento na usinagem e em serviço. Uma análise elementar pode apresentar as seguintes proporções de componentes: carbono de 8 a 88%; hidrogênio de 8 a 11%; enxofre de 0 a 6%; oxigênio de 0 a 1,5% e nitrogênio de 0 a 1%. A característica de termoviscoelasticidade desse material manifesta-se no comportamento mecânico, sendo suscetível à velocidade, ao tempo e intensidade de carregamento, e à temperatura de serviço. O comportamento termoviscoelástico é mais comumente assumido do que o termoviscoplástico, com suficiente aproximação do real comportamento do material. O CAP é um material quase totalmente solúvel em benzeno, tricloroetileno ou em bissulfeto de carbono, propriedade utilizada como um dos requisitos de especificações. Classificação dos CAPs segundo sua Viscosidade Absoluta a 60ºC (em poises): CAP 7: η = 700 a 1500 poises CAP0: η = 000 a 3500 poises CAP40: η = 4000 a 8000 poises Classificação dos CAPs segundo ensaio de Penetração, realizado a 5ºC (100g, 5s, 5ºC): CAP 30/45 CAP 50/70 CAP 85/100 CAP 100/10 CAP 150/00 Asfalto Diluído os asfaltos diluídos, também conhecidos como asfaltos recortados ou cutbacks, resultam da diluição do cimento asfáltico por destilados de petróleo os diluentes proporcionam produtos menos viscosos que podem ser aplicados a temperaturas mais baixas e devem evaporar totalmente, deixando como resíduo o CAP

3 o fenômeno de evaporação do diluente denomina-se cura são classificados de acordo com a velocidade de cura em três categorias: cura rápida (CR), cura média (CM) e cura lenta (CL), sendo que os asfaltos diluídos de cura lenta não são produzidos no Brasil. quanto à viscosidade, são subdivididos de acordo com as seguintes faixas: Asfalto diluído Viscosidade cinemática a 60ºC, cst CR CR CR CR CM CM CM CM Emulsões Asfálticas são dispersões de uma fase asfáltica em uma fase aquosa ou vice-versa produto estável empregado em serviços de pavimentação à temperatura ambiente nunca devem ser aquecidas acima de 70ºC emulsão asfáltica catiônica: cimento asfáltico de petróleo (CAP), água, agente emulsificante e energia de dispersão da fase asfáltica na fase aquosa Ruptura de Emulsão fenômeno que ocorre quando os glóbulos de asfalto dispersos em água, em contato com o agregado mineral, sofrem uma ionização por parte deste, dando origem à formação de um composto insolúvel em água que se precipitará sobre o agregado Classificação das Emulsões Asfálticas: de acordo com a estabilidade, ou tempo de ruptura, podemos ter: Ruptura rápida (RR): pintura de ligação, imprimação, tratamentos superficiais, macadame betuminoso Ruptura média (RM): pré-misturados a frio Ruptura lenta (RL): estabilização de solos e preparo de lama asfáltica 3

4 Influência da temperatura nas propriedades físicas do asfalto Conforme notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares: Todas as propriedades físicas do asfalto estão associadas à sua temperatura. O modelo estrutural do ligante como uma dispersão de moléculas polares em meio não-polar ajuda a entender o efeito da temperatura nos ligantes asfálticos. Em temperaturas muito baixas, as moléculas não têm condições de se mover umas em relação às outras e a viscosidade fica muito elevada; nessa situação o ligante se comporta quase como um sólido. À medida que a temperatura aumenta, algumas moléculas começam a se mover podendo mesmo haver um fluxo entre as moléculas. O aumento do movimento faz baixar a viscosidade e, em temperaturas altas, o ligante se comporta como um líquido. Essa transição é reversível. Um dos critérios mais utilizados de classificação dos ligantes é a avaliação da sua suscetibilidade térmica, por algum ensaio que meça direta ou indiretamente sua consistência ou viscosidade em diferentes temperaturas. Portanto, todos os ensaios realizados para medir as propriedades físicas dos ligantes asfálticos têm temperatura especificada e alguns também definem o tempo e a velocidade de carregamento, visto que o asfalto é um material termoviscoelástico. Para se especificar um determinado asfalto como adequado para pavimentação, a maioria dos países utiliza medidas simples de características físicas do ligante, pela facilidade de execução nos laboratórios de obras. As duas principais características utilizadas são: a dureza, medida através da penetração de uma agulha padrão na amostra de ligante, e a resistência ao fluxo, medida através de ensaios de viscosidade. Acrescentaram-se ao longo dos anos nas especificações alguns outros critérios de aceitação que são associados a ensaios empíricos, que, a princípio, tentam avaliar indiretamente o desempenho futuro do ligante nas obras de pavimentação. Os ensaios físicos dos cimentos asfálticos podem ser categorizados entre ensaios de consistência, de durabilidade, de pureza e de segurança. Principais ensaios para controle de cimento asfáltico de petróleo Espuma: O CAP é aquecido até determinada temperatura e a seguir verifica-se se há ou não a presença de espuma no material, decorrente da presença de água. A presença de água pode ser perigosa durante o aquecimento, podendo causar acidentes 4

5 Ponto de Fulgor Consiste na determinação da temperatura para a qual uma amostra de produto asfáltico começa a liberar gases inflamáveis. É utilizado para identificar contaminação por solventes e para prevenir acidentes termômetro recipiente com asfalto chama piloto aquecedor Figura 1 Modelos de equipamentos para o ensaio e esquema do ensaio de ponto de fulgor pelo vaso aberto de Cleveland (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares). Densidade Utilizado para transformar unidades gravimétricas em volumétricas e também para o cálculo da densidade teórica e do volume de vazios Solubilidade em bissulfeto de carbono Utilizado para verificar a pureza do CAP, ou seja, mede-se o teor de betume contido no asfalto Ductilidade(DNER-ME 163/98) É a propriedade do material suportar grandes deformações sem ruptura. Caracteriza a resistência à tração e a flexibilidade do CAP. Quanto mais dúctil, maior a flexibilidade Para os materiais betuminosos, a ductilidade é a distância em cm que um corpo de prova padronizado se alonga até a ruptura, quando submetido a tração Temperatura de ensaio: 5ºC 5

6 Figura Esquema do ensaio de ductilidade em andamento e equipamento completo (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares). Figura 3 Equipamento com ensaio de ductilidadade em andamento e detalhe do molde (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares). Ensaio de Oliensis (Teste da mancha ou spot test) Verifica se o asfalto foi superaquecido durante a fabricação ou o transporte Consiste em verificar se uma gota de CAP dissolvido em nafta, em banhomaria, tem aspecto homogêneo em coloração Se o aspecto for homogêneo representa que o teste é negativo, caso contrário (centro da mancha for negro), houve superaquecimento e o resultado do teste é positivo Efeito do calor e do ar Simula o envelhecimento do CAP durante a mistura em usina e durante sua vida em serviço Consiste no aquecimento de uma fina película de asfalto, em uma estufa ventilada, por um determinado tempo Após esse processo, mede-se a variação de peso e de penetração em relação ao CAP original 6

7 Viscosidade Saybolt-Furol É um índice técnico que se relaciona, de maneira desconhecida, com a viscosidade. Consiste na medida do tempo (em s) que uma determinada quantidade de material asfáltico (60 ml) leva para fluir através de um orifício padronizado termômetro reservatório de óleo para condicionamento térmico da amostra orifício Furol local para colocar o recipiente de coleta do líquido (60 ml) Figura 4 Exemplo de equipamento Saybolt-Furol de ensaio de viscosidade e esquema do interior do equipamento (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares). No Brasil, o viscosímetro mais usado para os materiais asfálticos é o de Saybolt-Furol (Saybolt: o inventor; e Furol: Fuel Road Oil). O aparelho consta, basicamente, de um tubo com formato e dimensões padronizadas, no fundo do qual fica um orifício de diâmetro 3,15 ± 0,0mm. O tubo, cheio de material a ensaiar, é colocado num recipiente com óleo (banho) com o orifício fechado. Quando o material estabiliza na temperatura exigida (5 a 170ºC, dependendo do material e 135ºC para os cimentos asfálticos), abre-se o orifício e inicia-se a contagem do tempo. Desliga-se o cronômetro quando o líquido alcança, no frasco inferior, a marca de 60ml. O valor da viscosidade é reportado em segundos Saybolt-Furol, abreviado como SSF, a uma dada temperatura de ensaio. 7

8 Além do uso na especificação, a medida da viscosidade do ligante asfáltico tem grande importância na determinação da consistência adequada que ele deve apresentar quando da mistura com os agregados para proporcionar uma perfeita cobertura dos mesmos e quando de sua aplicação no campo. Para isso é necessário se obter, para cada ligante asfáltico, uma curva de viscosidade com a temperatura que permita escolher a faixa de temperatura adequada para as diversas utilizações. Viscosidade Absoluta Considere-se um líquido contido entre duas placas paralelas, cada uma com área A. Seja a placa inferior fixa e considere a aplicação de uma força F t à placa superior. A força Ft gera uma tensão de cisalhamento, tangencial ao fluido. O fluido adjacente à placa superior adquire a mesma velocidade da placa (princípio da aderência). As camadas inferiores do fluido adquirem velocidades tanto menores quanto maior for a distância em relação à placa superior. A velocidade do fluido adjacente à placa inferior é zero (em virtude da aderência). Assim, cria-se um gradiente de velocidades que, simplificadamente, é dado pela razão entre a diferença de velocidades entre as camadas de fluido junto de cada uma das placas, v (que corresponde à velocidade adquirida pela placa superior, v) e a separação entre essas placas, L. A definição de viscosidade está relacionada com a Lei de Newton: a tensão de cisalhamento é diretamente proporcional à variação da velocidade ao longo da direção normal às placas. F dν τ = A dy A relação de proporcionalidade pode ser transformada em igualdade mediante uma constante, dando origem à equação F dν τ = =η A dy A viscosidade absoluta ou dinâmica (η) é o coeficiente de proporcionalidade entre a tensão de cisalhamento aplicada e o gradiente de velocidade de distorção do líquido viscoso colocado entre as duas placas paralelas. Significado físico da viscosidade: propriedade do fluido através da qual ele oferece resistência às tensões de cisalhamento. 8

9 Os fluidos que apresentam relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação, são denominados newtonianos. Análise dimensional da viscosidade (sistema F (força); L (distância); T (tempo)) F F dν LT τ = = = FL = A L dy L dν τ FL FT τ = η η = = = 1 dy dν T L dy 1 = T 1 Portanto, as unidades de viscosidade nos sistemas de unidades mais comuns são O ensaio para medida da viscosidade pode ser realizado no viscosímetro Brookfield rotacional. Esse viscosímetro utiliza um sistema em que o torque para girar uma pá dentro da amostra, em velocidade constante, é relacionado com a viscosidade absoluta (dinâmica). Viscosidade Cinemática É a viscosidade absoluta dividida pela massa específica do líquido; é expressa em stockes (cm /s). Este ensaio é utilizado na determinação da viscosidade de asfaltos diluídos η vis cos idade cinemática = µ = ρ Análise dimensional da viscosidade cinemática dina s CGS : [ η] = = poise cm Kgf s métrico gravitacional ( MK * S) : [ η] = m N s métrico internacional( SI) : [ η] = = Pa s m 1 poise = 0,1 Pa s m M massa específica = ρ = Unidades : ρ = = M L 3 V L 3 F L T M L [ µ ] = 3 unidades de força : M L T F L T [ ] ( M L T ) µ = M L L 3 M L T T = L 1 = 3 = L T 9

10 Penetração Consiste na medida (em décimos de mm) do quanto uma agulha padrão penetra verticalmente em uma amostra de material betuminoso sob condições específicas de temperatura (5ºC), carga (100g) e tempo (5 segundos). A condição de ensaio influencia na consistência do cimento asfáltico Figura 5 Exemplo de equipamento manual de medida de penetração (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares). Ponto de amolecimento (ensaio de anel e bola) Este ensaio estabelece uma temperatura de referência, similar à temperatura de fusão dos materiais Os CAPs, em suas respectivas temperaturas de Ponto de Amolecimento apresentam, aproximadamente, a mesma penetração (800 0,1 mm) Ensaio: anel contendo amostra de asfalto, com uma esfera de aço apoiada sobre a amostra, é submetido a um banho-maria, com taxa de aumento de temperatura do líquido de 5ºC/min. Ao atingir determinada temperatura o asfalto fluirá com o peso da esfera de aço apoiada em sua superfície e se deslocará 1 até tocar o fundo do recipiente Anota-se a temperatura nesse momento, que é o chamado ponto de amolecimento 10

11 Figura 6 Equipamento automático para medida do ponto de amolecimento do asfalto e esquema do ensaio com equipamento mais simples (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares; fotos: Leite, 003; Silva, 005) Índice de susceptibilidade térmica (Pfeiffer e Van Doormaal): É resultante da relação definida entre o ponto de amolecimento e a penetração. A suscetibilidade térmica indica a sensibilidade da consistência dos ligantes asfálticos à variação de temperatura. Trata-se de uma propriedade importante dos ligantes asfálticos uma vez que se eles forem muito suscetíveis à variação de estado ou de propriedades frente à variação de temperatura, não serão desejáveis na pavimentação. É desejável que o ligante asfáltico apresente variações pequenas de propriedades mecânicas, nas temperaturas de serviço dos revestimentos, para evitar grandes alterações de comportamento frente às variações de temperatura ambiente (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares). Diferentes abordagens podem ser usadas para se determinar a suscetibilidade térmica dos ligantes. Normalmente tem-se calculado para essa finalidade o Índice de Suscetibilidade Térmica ou Índice de Penetração. Pelo procedimento proposto em 1936 por Pfeiffer e Van Doormaal esse índice é determinado a partir do ponto de amolecimento (PA) do CAP e de sua penetração a 5ºC, incluindo-se a hipótese que a penetração do CAP no seu ponto de amolecimento é de 800 (0,1mm). 11

12 A atual norma brasileira que classifica os CAPs estabelece uma faixa admissível para o IP entre (-1,5) e (+0,7) IP > (+0,7) : asfalto oxidado; pouco sensíveis a elevadas temperaturas e quebradiços em temperaturas mais baixas IP < (-1,5): asfaltos muito suscetíveis à ação da temperatura log P log P + 0PA 1951 IP = 10 50log P + PA P α 5 PA log800 logp tg α = PA 5 PA = ponto de amolecimento (ºC) P = penetração (décimos de mm) Temperatura de Aquecimento dos CAPs Há uma relação entre a temperatura e os resultados de ensaios de Viscosidade Saybolt- Furol, que indica as melhores temperaturas para o aquecimento do cimento asfáltico nos processos de mistura e compactação. Até o agregado que será utilizado na mistura deve estar em uma temperatura específica, a fim de manter a temperatura do CAP num patamar de trabalhabilidade. Temperaturas para o aquecimento do CAP e suas relações A temperatura de aplicação do CAP deve ser determinada para cada tipo de ligante, em função da relação temperatura-viscosidade. A temperatura indicada é aquela na qual o asfalto apresenta uma viscosidade situada na faixa de 85 ± 10 segundos Saybolt-Furol. A temperatura recomendável para a compressão da mistura é aquela na qual o ligante apresenta uma viscosidade Saybolt-Furol de 140 ± 15 segundos. 1

13 log (Visc. S.F.) T o C T 1 T T 3 T 4 T AQ.CAP = T 3 + T T 4 3 T T T T 1 = + T AG = T CAP + 13 COMP 1 T AQ CAP = temperatura de aquecimento do CAP (cimento asfáltico de petróleo) T COMP = temperatura de compactação da mistura T AG = temperatura de aquecimento do agregado Referências: LEITE, L.F.M. Estudos de preparo e caracterização de asfaltos modificados por polímero p. Tese (Doutorado) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, LEITE, L.F.M. Notas de aula do Curso de Pavimentação Urbana. Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Pavimentação, 003. Notas de aula do Prof. Glauco Túlio Pessa Fabbri. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de São Carlos. Departamento de Transportes. Notas de aula do Prof Jorge Barbosa Soares. Universidade Federal do Ceará. Centro de Tecnologia. Departamento de Engenharia de Transportes SILVA, P.B. Estudo em laboratório e em campo de misturas asfálticas SMA 0/8S f. Dissertação (Mestrado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo,