Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2015/16

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1 Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2015/16 Tema: Avaliação da recuperação elástica de ligantes modificados com diferentes métodos de ensaio Aluno(a): Sofia Gonçalves Pereira Número do Aluno(a): Orientador(a): Hugo Manuel Ribeiro Dias Silva Co-orientador(a): 1. Introdução O tema da dissertação em estudo incide, essencialmente, na avaliação da recuperação elástica de ligantes modificados e esta recuperação elástica, ou resposta elástica, é a capacidade do ligante de recuperar a sua dimensão após ter sofrido uma deformação, proporcionada por esforços de tração, a uma determinada temperatura. Ou seja, representa a distância, em centímetros, da recuperação que a amostra apresenta após ter sido alongada. Atualmente, a incorporação de alguns modificadores, aditivos, nos ligantes, tais como polímeros (borracha, estireno-butadieno-estireno, etileno acetato de vinilo), ácido polifosfórico (PPA), entre outros, tem sido alvo de estudo de modo a obter melhorias nas características dos próprios ligantes e, também, com o intuito de melhorar o desempenho dos pavimentos. As misturas betuminosas mais recomendadas quanto à resistência à deformação permanente são as misturas com betume modificado com SBS (Estireno-Butadieno-Estireno) e RET (Reactive Elastomeric Terpolymer) e as misturas modificadas com borracha (Bringel, Alencar et al. 2006, Negrão 2006). 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 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, Soares et al. 2005). A utilização de borracha na modificação do ligante, usualmente denominada por BMB (Betume Modificado com Borracha) tem sido adotada em vários países com o intuito de reduzir a suscetibilidade térmica do betume de base, melhorar a visco-elasticidade e a ductilidade do ligante e as propriedades elásticas das misturas betuminosas, mais concretamente a resistência às tensões de tração e a recuperação elástica, quer a baixas ou altas temperaturas. O BMB resulta da adição de determinada percentagem de granulado de borracha ao betume tradicional aquecido, executada em reatores especiais, junto das centrais betuminosas. Esta melhoria das propriedades elásticas do BMB reflete-se positivamente na sua resistência ao fendilhamento, à reflexão de fendas e às deformações permanentes, apresentando grande viscosidade a temperaturas altas e boa flexibilidade a baixas temperaturas (Minhoto, Pais et al. 2002). Por outro lado, o uso de borracha reciclada de pneus nos ligantes tem vindo a aumentar por motivos económicos, funcionais, estruturais, mas, essencialmente, por motivos ambientais. A adição de 12 a 18% de borracha reciclada de pneus ao ligante leva à produção de misturas com maior resistência à fadiga e a deformações permanentes e maior durabilidade. A incorporação de borracha, através do processo seco, melhora as características de resistência à fadiga e ao fendihamento térmico, devido à menor sensibilidade a variações de temperatura (Specht 2004). A mais valia dos betumes modificados com borracha reciclada de pneus reside na garantia de obtenção das propriedades de um ligante modificado (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. Sem prejuízo das especificações requeridas, os ligantes com borracha garantem um desempenho eficaz na mistura, garantindo boa resposta na resistência à fadiga, à propagação de fendas e à formação de rodeiras (Energia 2016). Os resultados indicam que a incorporação da borracha produz uma melhoria nas propriedades elásticas e no comportamento a elevadas temperaturas dos ligantes betuminosos produzidos (Neto, Farias et al. 2003). 1

2 Em relação à resiliência (recuperação elástica após penetração) o SBS e o EVA apresentaram o melhor desempenho. Como resultados deste ensaio, que estão relacionados com a recuperação elástica percentual dos ligantes após penetração, os polímeros que apresentaram melhores resultados foram, tal como esperado, os elastómeros: o SBS em pó, seguido pelo EVA e pela borracha de pneus. Os betumes modificados com os polietilenos (PEAD e PEBD) e com o copolímero Acrilonitrila 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, o que apenas ocorreu devido ao comportamento viscoelástico do betume (Costa, Fernandes et al. 2013). Através dos ensaios realizados no trabalho, foi possível comprovar que a adição de polímeros e borracha reciclada garantem melhorias nas propriedades do betume (Rosa, Santos et al. 2012). No que concerne ao uso de ácido polifosfórico 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 ligante da base. A adição de PPA aumenta a rigidez, a elasticidade e a recuperação elástica (Pamplona 2013). É importante salientar a importância do estudo da propriedade referente à recuperação elástica uma vez um considerável retorno elástico permite uma maior resistência às deformações permanentes contribuindo para um maior conforto e segurança rodoviária. 2. Objetivos Este trabalho apresenta, como objetivo geral, o estudo de uma das propriedades dos ligantes modificados: a recuperação elástica, através de diferentes métodos de ensaio. Para além disso pretende-se estudar e estabelecer relações entre os mesmos. Como objetivos específicos, este estudo vai basear-se na elaboração de diferentes métodos de ensaio uma vez que o estudo de ligantes modificados deve ser realizado com ensaios que permitam a determinação de propriedades adicionais em relação às propriedades básicas dos betumes, como por exemplo, o Ensaio de Penetração e da Temperatura de Amolecimento pelo método do anel e bola. Em relação à recuperação elástica, propriedade prioritária já referida anteriormente, a aquisição recente de um ductilómetro permite obter essa propriedade, entre outras, num ensaio de tração que pode ser efetuado a diversas temperaturas. Este equipamento permite ainda determinar outras propriedades que podem ser relacionadas com as propriedades reológicas avaliadas no Ensaio MSCR (ensaio de fluência e relaxamento com diferentes níveis de tensão) e com a resiliência desses betumes avaliada no Ensaio de Resiliência. Também se pretende estudar alguns betumes com estes ensaios para se compreender qual a relação entre os diferentes tipos de ensaios. Posto isto, o tipo de pesquisa a desenvolver terá como objetivo gerar conhecimento por meio da exploração de aplicações práticas tendo por base a comparação e procura de soluções. 3. Metodologia Os objetivos serão alcançados através de diversos métodos de ensaio laboratoriais, que irão ser descritos de seguida. Segundo a Norma EN 1426, a penetração é uma medida da consistência de um betume à temperatura de referência de 25ºC e é o ensaio mais comum na caracterização de ligantes betuminosos. O Ensaio de Penetração consiste basicamente em determinar qual a profundidade em décimos de milímetros (dmm), que uma agulha de aço inoxidável padronizada com 100g penetra no betume a uma temperatura ambiente de 25 C, durante um tempo de 5 segundos. Este método é executado três vezes e o valor da penetração do ligante obtém-se através da média das três execuções feitas anteriormente (Costa, Fernandes et al. 2013). Segundo a Norma EN 1427, o ponto de amolecimento é a temperatura à qual um betume começa a fluir, estando 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. O Ponto de Amolecimento, ou Temperatura de Anel e Bola, é determinado por meio de um ensaio em que uma amostra de ligante betuminoso é colocada num recipiente constituído por um anel metálico onde, posteriormente, a amostra é rasada de modo a tornar a sua superfície horizontal. É realizado o ensaio mantendo o recipiente imerso em água 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 5ºC/min até que o betume amoleça o suficiente para fluir através do anel e até encontrar a placa da base. A temperatura do fluido, no momento 2

3 em que o ligante toca na placa, é considerada como o ponto de amolecimento do betume (Costa, Fernandes et al. 2013). O ensaio de resposta elástica ou recuperação elástica, serve para determinação da elasticidade dos materiais betuminosos. No ensaio de retorno elástico é utilizado um ductilómetro, o mesmo aparelho usado para medir a ductilidade dos materiais betuminosos, onde 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 necessário proceder à preparação da amostra e do molde. A recuperação elástica é expressa em percentagem (%) e representa o valor da média de três ensaios. Se a amostra romper durante a tração em 3 ensaios, é necessário relatar que a recuperação elástica não pode ser obtida sob as condições do ensaio. Embora este procedimento é 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. O Ensaio de Resiliência (penetração e recuperação elástica), também utilizado para a avaliação da resposta elástica, consiste em aplicar um deslocamento de 10 mm numa amostra de betume modificado, a uma temperatura de 25ºC, através de uma esfera metálica de 17 mm de diâmetro, com uma taxa de deslocamento de 1mm/s. Após este processo é medida a recuperação elástica da amostra que ocorre durante 20 segundos. Como último ensaio para avaliação desta propriedade é o Ensaio MSCR, que tem sido utilizado para caracterizar o grau de dispersão de estireno-butadieno-estireno (SBS) em betume modificado com polímero e este ensaio pode ser considerado como uma alternativa ao ensaio de recuperação elástica. O ensaio MSCR é realizado utilizando o reómetro de corte dinâmico (DSR), em conformidade com AASHTO TP 70. O ensaio é executado em modo de rotação a uma temperatura de 64ºC e 70ºC e consiste em aplicar uma carga constante de fluência durante 1 segundo onde de seguida, após a aplicação da carga, ocorre uma recuperação, ou relaxamento, durante 9 segundos, de acordo com a norma ASTM D7405. São executados dez ciclos de fluência e recuperação com uma tensão de corte de 0.1 kpa, seguidos por outros dez ciclos com uma tensão de corte de 3,2 kpa. Durante cada ciclo, o betume atinge uma tensão de pico e, de seguida, recupera antes da tensão de corte ser aplicada novamente. A diferença entre a tensão de pico e a tensão final é dividida pela deformação de pico para obter a percentagem de recuperação elástica de cada ciclo. Para cada ciclo são calculados dois parâmetros: a percentagem recuperada (R) e a fluência não recuperável (Jnr) (Huang and Tang 2015). Os resultados serão alcançados por meio de pesquisa bibliográfica e documental e pesquisa experimental. 4. Resultados Esperados Neste trabalho espera-se conseguir estudar diferentes betumes modificados com diferentes tipos de ensaios para avaliação da recuperação elástica, de forma a estabelecer uma relação entre os diferentes procedimentos de ensaio. Com esses ensaios ainda se pretende conseguir realizar uma caracterização mais avançada dos ligantes em estudo. 5. Faseamento e Calendarização Esta secção é dividida em duas partes. Na primeira são detalhadas as atividades que serão desenvolvidas e na segunda será apresentada a calendarização das mesmas. 5.1 Faseamento A primeira fase consiste na recolha de pesquisa bibliográfica referente aos ligantes modificados existentes e à avaliação da recuperação elástica bem como outras propriedades do betume. Também se inicia o Estado de Arte de modo a possibilitar um conhecimento aprofundado do tema em estudo. A segunda fase refere-se à caracterização dos materiais a utilizar e poderá ser elaborada em simultâneo com a primeira fase. No que diz respeito aos materiais a utilizar, estes serão os seguintes: i) betume convencional; ii) três diferentes polímeros (polietileno de alta densidade, estireno-butadieno-estireno e borracha de pneus usados) e, por último, iii) óleo de motor usado. Quanto à caracterização destes materiais, o betume convencional será caracterizado através de ensaios de caracterização básica, nomeadamente, o Ensaio de Penetração a 25ºC, o Ensaio de Ponto de Amolecimento e o Ensaio de Viscosidade Dinâmica. Por forma a obter uma comparação com os betumes modificados, o betume convencional também será caracterizado com os ensaios de avaliação da resposta elástica. A caracterização dos polímeros será efetuada pelo ensaio de Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), sendo caracterizados quanto à sua dimensão e análise térmica e, por último, o óleo de motor usado será caracterizado através do Ensaio de Viscosidade Dinâmica, sendo caracterizado quanto à sua origem. 3

4 Na terceira fase será realizada a preparação e caracterização básica dos ligantes modificados onde serão estudadas diferentes percentagens, quer de óleo, quer dos diversos polímeros. Em relação aos ensaios a realizar no que diz respeito à caracterização dos ligantes modificados, estes serão os mesmos realizados no betume convencional, já mencionados anteriormente. Na quarta fase será efetuada a avaliação da resposta elástica dos ligantes modificados por meio de diferentes ensaios, já mencionados anteriormente, o ensaio com o ductilómetro, o Ensaio de Resiliência e o Ensaio MSCR. A quinta fase consiste na análise de resultados dos diversos ensaios realizados onde também se pretende estabelecer relações entre os mesmos. Esta fase inicia-se na terceira fase, onde já é possível analisar os ensaios realizados na segunda fase e, a partir deste momento, apresenta uma continuidade nas restantes fases. A sexta e última fase reside na escrita da dissertação que irá ter inicio logo na primeira fase. Resumindo as fases apresentadas anteriormente, é possível esquematizar as várias etapas a realizar de uma forma sucinta: 1. Pesquisa bibliográfica; 2. Caracterização dos materiais a utilizar; 3. Preparação e caracterização básica dos ligantes modificados; 4. Avaliação da resposta elástica dos ligantes modificados; 5. Análise de resultados; 6. Escrita da Dissertação. 5.2 Calendarização O plano de trabalhos conducente à Dissertação terá início em Março, apresentando-se de seguida, sob a forma de cronograma dividido em semanas de trabalho, o tempo previsto para a realização de cada uma das fases identificadas na subsecção anterior. Tempo (semanas) Fase I X X X X X Fase II X X X Fase III X X X X Fase IV X X X X Fase V X X X X X X X X X Fase VI X X X X X X X X X X X X X X Nota: O cronograma apresentado reflete a disposição temporal das fases e respetivas atividades a desenvolver pelo aluno durante o 2ºsemestre, admitindo que a Dissertação será entregue até meados de Junho e será defendida em Julho. Porém, de acordo com Despacho RT-16/2015, que aprova o calendário escolar para o ano letivo de , a data limite para entrega da Dissertação é dia 31 de Outubro de Referências Bibliográficas Bringel, R. M., et al. (2006). "Comportamento reológico do ligante asfáltico modificado por SBS e diluente aromático como compatibilizante." Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás IBP 18: 27. Bringel, R. M., et al. (2005). "Propriedades químicas e reológicas de asfalto modificado por copolímero EVA." 3 Congresso Brasileiro de P&D em Petróleo e Gás: Costa, L., et al. (2013). "Valorização de resíduos plásticos na modificação de betumes para pavimentos rodoviários." 4

5 Energia, G. (2016). "Ligantes amigos do ambiente." Retrieved 15/02/2016, from Huang, W. and N. Tang (2015). "Characterizing SBS modified asphalt with sulfur using multiple stress creep recovery test." Construction and Building Materials 93: Minhoto, M., et al. (2002). A optimização das misturas betuminosas com betume modificado com borracha reciclada de pneus usados. 2º Congresso Rodoviário Português Estrada Laboratório Nacional de Engenharia Civil. II: Negrão, D. P. (2006). Estudo de asfaltos modificados por polímeros do tipo RET para aplicações em pavimentos. Departamento de Engenharia de Transportes, Universidade de São Paulo. Mestre: 179. Neto, S. A. D., et al. (2003). Avaliação das propriedades físicas dos ligantes modificados com borracha granuladas de pneus usados. 12º Reunião de Pavimentação Urbana. Aracaju, Sergipe, Brasil. Pamplona, T. F. (2013). Efeito da adição de ácido polifosfórico em ligantes asfálticos de diferentes fontes. Departamento de Engenharia de Transportes, Universidade de São Paulo. Mestre: 166. Rosa, A., et al. (2012). "Análise comparativa entre asfalto modificado com borracha reciclada de pneus e asfalto modificado com polímeros " Teoria e Prática na Engenharia Civil 20: Specht, L. P. (2004). Avaliação de misturas asfálticas com incorporação de borracha reciclada de pneus, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Doutor: