UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL ESTUDO SOBRE A AÇÃO DE MODIFICADORES NO ENVELHECIMENTO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil ARMANDO MORILHA JUNIOR Florianópolis, maio de 2004
ii MORILHA JUNIOR, Armando. ESTUDO SOBRE A AÇÃO DE MODIFICADORES NO ENVELHECIMENTO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS. Florianópolis, SC, 2004, 165 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina. Orientador: Glicério Trichês Defesa: maio/2004 1. Ligantes Asfálticos Modificados 2. Envelhecimento do ligante 3. Misturas Asfálticas.
iii ESTUDO SOBRE A AÇÃO DE MODIFICADORES NO ENVELHECIMENTO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS Esta dissertação foi julgada para obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA, especialidade ENGENHARIA CIVIL, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina Prof. Dr. Glicério Trichês (Orientador) Profª Henriette Lebre La Rovere (Coordenadora do Curso) Comissão Examinadora: Prof. Dr. Antônio Fortunato Marcon (UFSC) Profª. Drª. Leni Figueiredo Mathias Leite (CENPES) Prof. Dr. Jorge Augusto Pereira Ceratti (UFRGS) Em 28 de Maio de 2004
iv Ao meu pai (in memoriam) e minha mãe, pela oportunidade da vida e pelos ensinamentos. À minha esposa Gyovana e aos meus filhos João Gustavo, Estevão Augusto e Joanna Paula por terem tido paciência comigo durante os estudos e por serem o estímulo de minha vida.
v AGRADECIMENTOS Ao Prof. Glicério Trichês, pela orientação firme e dedicada e pelo auxílio na viabilização deste trabalho. À Universidade Federal de Santa Catarina pela oportunidade de voltar a estudar. Ao sr. Amadeu Greca e à diretoria do Grupo Greca Asfaltos, pelo apoio e financiamento recebido para a execução deste trabalho. Ao Prof. Antônio F. Marcon, por me lembrar que eu poderia retornar a UFSC e por ter viabilizado esta oportunidade. Ao pessoal do Laboratório da Greca: Gilberto, José Antonio, Edson, Juraci e Wander, pela dedicação e apoio constante na execução dos ensaios. Ao LAPAV Laboratório de Pavimentação da UFRGS, na pessoa do Prof. Jorge A. P. Ceratti e do técnico Ivan, pela execução dos ensaios de caracterização mecânica e de fadiga. Ao IPR/DNIT, na pessoa do Dr. Salomão Pinto, pelos ensaios de envelhecimento realizados. A todas as pessoas (e foram muitas) que me auxiliaram com idéias, comentários e manifestações de estímulo que, embora não as nomine, tem a minha gratidão.
vi SUMÁRIO Página CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO... 1 1.1 OBJETIVO DO TRABALHO...... 3 1.2 PROCEDIMENTOS PARA ALCANÇAR O OBJETIVO... 3 1.3 IMPORTÂNCIA DO TEMA... 4 1.4 DELIMITAÇÃO DA PESQUISA... 4 1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO... 5 CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 7 2.1 O FENÔMENO DO ENVELHECIMENTO DO LIGANTE ASFÁLTICO... 7 2.1.1 Fatores Químicos e Reológicos sobre o Envelhecimento do Ligante Asfáltico... 11 2.1.2 Fatores que Influenciam no Processo de Envelhecimento do Ligante Asfáltico em uma Mistura Asfáltica... 17 2.1.2.1 Envelhecimento de curto prazo... 17 2.1.2.2 Envelhecimento de longo prazo... 20 2.1.3 Caracterização do Envelhecimento do Ligante Asfáltico... 24 2.1.3.1 Efeito do calor e do ar ECA... 25 2.1.3.2 Aquecimento em película delgada rolada RTFOT... 26 2.1.3.3 Pressure aging vessel PAV... 27 2.1.3.4 Análise comparativa quanto a severidade dos ensaios de envelhecimento... 28 2.1.3.5 Casos práticos de envelhecimento do ligante asfáltico... 30 2.1.4 Medida da Viscosidade dos Ligantes Asfálticos... 31 2.1.5 Ligantes Asfálticos Modificados por Polímeros... 33
vii 2.1.6 O Envelhecimento dos Ligantes Asfálticos Modificados por Polímeros... 39 2.2 CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS... 42 2.2.1 Ensaio de Tração Indireta por Compressão Diametral com Cargas Repetidas... 44 2.2.2 Ensaio de Fadiga de Misturas Asfálticas... 48 2.2.3 Fatores que Afetam a Resistência à Fadiga... 52 2.2.4 Comportamento Mecânico de Misturas Asfálticas... 53 2.2.5 Caracterização do Envelhecimento da Mistura Asfáltica... 55 CAPÍTULO 3 - METODOLOGIA E MATERIAIS EMPREGADOS... 57 3.1 METODOLOGIA EMPREGADA NA PESQUISA... 57 3.2CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS UTILIZADOS NA PESQUISA... 61 3.2.1 Processo de Fabricação dos Ligantes Asfálticos... 61 3.2.2 Descrição dos Modificadores Utilizados... 62 3.2.3 Ligantes Asfálticos Utilizados na pesquisa... 65 3.2.4 Caracterização dos Agregados e da Cal Hidratada... 67 3.2.5 Ensaio de Abson... 68 3.2.6 Influência da Cal Hidratada nas Propriedades Reológicas do Ligante Asfáltico Recuperado... 70 3.2.7 Avaliação da Repetibilidade dos Ensaios Realizados... 72 CAPÍTULO 4 - APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS SOBRE ENVELHECIMENTO... 75 4.1 DOSAGEM DAS MISTURAS ASFÁLTICAS PELO MÉTODO MARSHALL... 75
viii 4.2 CONCENTRAÇÃO CRÍTICA DO SISTEMA FINOS-BETUME... 79 4.3ENVELHECIMENTO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS EM LABORATÓRIO... 81 4.3.1 Resultados dos Ensaios de Perda de Massa... 81 4.3.2 Resultados dos Ensaios de Penetração... 84 4.3.3 Resultados dos Ensaios de Ponto de Amolecimento... 87 4.3.4 Resultados dos Ensaios de Recuperação Elástica... 89 4.3.5 Resultados dos Ensaios de Viscosidade Dinâmica... 92 4.3.6 Discussão dos Resultados... 98 4.4ENVELHECIMENTO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS NO CAMPO... 100 4.4.1 Resultados dos Ensaios de Penetração de Campo... 102 4.4.2 Resultados dos Ensaios de Ponto de Amolecimento de Campo... 103 4.4.3 Resultados dos Ensaios de Recuperação Elástica de Campo... 104 4.4.4 Resultados dos Ensaios de Viscosidade Dinâmica de Campo... 105 4.4.5 Discussão dos Resultados... 107 4.5COMPARAÇÃO ENTRE O ENVELHECIMENTO NO LABORATÓRIO E NO CAMPO... 108 4.5.1 Análise Laboratório/Campo da Penetração... 108 4.5.2 Análise Laboratório/Campo do Ponto de Amolecimento... 109 4.5.3 Análise Laboratório/Campo da Recuperação Elástica... 110 4.5.4 Análise Laboratório/Campo da Viscosidade Dinâmica... 110 4.5.5 Discussão dos Resultados... 112 CAPÍTULO 5 - APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS SOBRE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA E À FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS... 113 5.1 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL... 114 5.2 MÓDULO DE RESILIÊNCIA... 118
ix 5.3 ANÁLISE DO MÓDULO DE RESILIÊNCIA E DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO... 122 5.4 VIDA DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS... 124 5.4.1 Vida de Fadiga das Misturas em Função da Diferença de Tensões Aplicadas... 124 5.4.2 Vida de Fadiga das Misturas em Função da Deformação de Tração Inicial... 131 5.4.3 Análise das Vidas de Fadiga... 136 CAPÍTULO 6 - ANÁLISE PARAMÉTRICA... 140 6.1 CONDIÇÃO DE CARREGAMENTO SIMULADO... 141 6.2 ESTRUTURAS DE PAVIMENTO SIMULADAS... 141 6.3 SIMULAÇÃO COM O PROGRAMA FLAPS... 143 6.3.1 Análise das Estruturas em Função da Diferença de Tensões... 143 6.3.2 Análise das Estruturas em Função da Deformação de Tração Inicial... 145 6.3.3 Considerações Quanto aos Resultados da Análise Paramétrica com o Programa Flaps... 147 6.4 SIMULAÇÃO COM O PROGRAMA ELSYM 5... 148 6.4.1 Análise das Estruturas em Função da Diferença de Tensões... 148 6.4.2 Análise das Estruturas em Função da Deformação de Tração Inicial... 150 6.4.3 Considerações Quanto aos Resultados da Análise Paramétrica com o Programa Elsym 5... 151 6.5 COMPARAÇÃO ENTRE OS RESULTADOS OBTIDOS PELA SIMULAÇÃO COM O ELSYM 5 E FLAPS... 152 6.5.1 Simulação por Diferença de Tensões... 152 6.5.2 Simulação por Deformação Específica de Tração Inicial... 153 6.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE OS RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES... 153
x CAPÍTULO 7 - CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES... 155 7.1 CONCLUSÕES... 155 7.2 RECOMENDAÇÕES... 157 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 160
xi LISTA DE FIGURAS Páginas FIGURA 2.1 Envelhecimento do ligante asfáltico nas etapas de construção e de utilização do pavimento... 9 FIGURA 2.2 Representação esquemática da análise da composição química de um ligante asfáltico... 13 FIGURA 2.3 Representação da estrutura coloidal de cimento asfáltico... 13 FIGURA 2.4 Alterações na composição química do ligante asfáltico após usinagem, aplicação e durante a vida de serviço... 15 FIGURA 2.5 Relação entre a temperatura de usinagem da mistura asfáltica e o aumento no ponto de amolecimento do ligante asfáltico... 18 FIGURA 2.6 Efeito da espessura de película de ligante asfáltico no envelhecimento... 20 FIGURA 2.7 Relação entre o teor de vazios da mistura e a penetração do ligante asfáltico em função do envelhecimento em serviço... 21 FIGURA 2.8 Endurecimento do ligante asfáltico na superfície e no interior da camada asfáltica de revestimento... 24 FIGURA 2.9 Equipamento para o ensaio de efeito do calor e do ar em película delgada (TFOT)... 26 FIGURA 2.10 Equipamento utilizado para o ensaio de efeito do calor e do ar em película delgada rolada (RTFOT)... 27 FIGURA 2.11 Vaso de envelhecimento pressurizado... 28 FIGURA 2.12 Viscosímetro Brookfield... 32 FIGURA 2.13 Ensaio de recuperação elástica... 35 FIGURA 2.14 Diferentes tipos de ensaios de fadiga de misturas asfálticas... 43 FIGURA 2.15 Tensões no ensaio de compressão diametral... 45 FIGURA 2.16 Equipamento de ensaio de compressão diametral dinâmico... 47 FIGURA 3.1 Vista geral do equipamento para o método de Abson... 69
xii FIGURA 4.1 Granulometria individual dos agregados componentes das misturas asfálticas... 76 FIGURA 4.2 Granulometria da mistura de agregados... 77 FIGURA 4.3 Análise de perda de massa em ensaios de laboratório... 82 FIGURA 4.4 Análise da penetração dos ligantes asfálticos em diferentes situação de laboratório... 85 FIGURA 4.5 Análise do ponto de amolecimento dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório... 88 FIGURA 4.6 Análise da recuperação elástica dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório... 90 FIGURA 4.7 Análise de viscosidade à 135 C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório... 93 FIGURA 4.8 Análise de viscosidade à 155 C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório... 94 FIGURA 4.9 Análise de viscosidade à 175 C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório... 95 FIGURA 4.10 Visão da usina gravimétrica utilizada na usinagem das misturas asfálticas... 101 FIGURA 4.11 Análise da penetração dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo... 102 FIGURA 4.12 Análise do ponto de amolecimento dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo... 103 FIGURA 4.13 Análise da recuperação elástica dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo... 104 FIGURA 4.14 Análise da viscosidade à 135 C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo... 105 FIGURA 4.15 Análise da viscosidade à 155 C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo... 105 FIGURA 4.16 Análise da viscosidade à 175 C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo... 106
xiii FIGURA 5.1 Valores de resistência à tração por compressão diametral das 8 misturas asfálticas estudadas à 25 e 40 C... 114 FIGURA 5.2 Efeito da temperatura na resistência à tração para as 8 misturas asfálticas... 117 FIGURA 5.3 Valores de módulo de resiliência das 8 misturas asfálticas estudadas à 25 e 40 C... 118 FIGURA 5.4 Efeito da temperatura no módulo de resiliência para as 8 misturas asfálticas... 121 FIGURA 5.5 Vida de fadiga das misturas asfálticas em função da diferença de tensões... 125 FIGURA 5.6 Vida de fadiga por deformação específica de tração inicial das misturas asfálticas... 132
xiv LISTA DE QUADROS Páginas QUADRO 2.1 Mudanças na composição química dos ligantes asfálticos após emsaios de envelhecimento... 14 QUADRO 2.2 Mudanças nos ensaios convencionais dos ligantes asfálticos após ensaios de envelhecimento... 16 QUADRO 2.3 Envelhecimento do ligante asfáltico CAP 20 após usinagem... 30 QUADRO 2.4 Mudanças nos testes convencionais após ensaios de envelhecimento para ligantes asfálticos modificados por EVA... 40 QUADRO 2.5 Mudanças nos testes convencionais após ensaios de envelhecimento para ligantes asfálticos modificados por SBS... 41 QUADRO 3.1 Composição em peso dos ligantes asfálticos da pesquisa... 62 QUADRO 3.2 Resultados dos ensaios de caracterização do óleo extensor utilizado... 63 QUADRO 3.3 Características do polímero SBS utilizado na pesquisa... 64 QUADRO 3.4 Distribuição granulométrica da borracha moída de pneu... 64 QUADRO 3.5 Composição química da BMP... 64 QUADRO 3.6 Características do polímero EVA utilizado na pesquisa... 65 QUADRO 3.7 Características físicas e reológicas dos ligantes asfálticos da pesquisa... 66 QUADRO 3.8 Ensaios químicos da cal utilizada na pesquisa... 68 QUADRO 3.9 Granulometria da cal hidratada utilizada na pesquisa... 68 QUADRO 3.10 Influência do CO 2 injetado no ensaio de Abson na consistência do ligante asfáltico... 70 QUADRO 3.11 Influência da cal hidratada na consistência do ligante asfáltico recuperado... 71 QUADRO 3.12 Resultados dos ensaios para estatística do ligante asfáltico CAP 20... 73
xv QUADRO 3.13 Resultados dos ensaios para estatística do ligante asfáltico AM BMP 15%... 73 QUADRO 3.14 Coeficiente de variação dos resultados dos ensaios para os dois ligantes asfálticos... 74 QUADRO 4.1 Granulometria dos agregados... 76 QUADRO 4.2 Temperaturas utilizadas na moldagem dos corpos-de-prova... 77 QUADRO 4.3 Características Marshall das misturas asfálticas... 78 QUADRO 4.4 Concentração crítica do sistema finos-betume... 80 QUADRO 4.5 Perdas de massa de ligantes não modificados por polímeros após envelhecimento... 83 QUADRO 4.6 Perdas de massa de ligantes modificados por polímeros após envelhecimento... 83 QUADRO 4.7 Porcentagem da penetração original após ensaios de envelhecimento... 86 QUADRO 4.8 Aumento do ponto de amolecimento, em C, após envelhecimento... 89 QUADRO 4.9 Relação de viscosidades entre o ligante asfáltico original e após RTFOT... 96 QUADRO 4.10 Porcentagem da penetração original após envelhecimento de campo... 102 QUADRO 4.11 Aumento do ponto de amolecimento, em C, após envelhecimento de campo... 104 QUADRO 4.12 Relação de viscosidades entre o ligante asfáltico original e após usinagem... 106 QUADRO 4.13 Análise laboratório/campo da penetração... 108 QUADRO 4.14 Análise laboratório/campo do ponto de amolecimento... 109 QUADRO 4.15 Análise laboratório/campo da recuperação elástica... 110 QUADRO 4.16 Análise laboratório/campo da viscosidade dinâmica à 135 C... 111 QUADRO 4.17 Análise laboratório/campo da viscosidade dinâmica à 155 C... 111 QUADRO 4.18 Análise laboratório/campo da viscosidade dinâmica à 175 C... 111
xvi QUADRO 5.1 Relação de resistência à tração avaliados nas temperaturas de 40 e 25 C... 115 QUADRO 5.2 Relação dos módulos de resiliência avaliados nas temperaturas de 40 e 25 C... 119 QUADRO 5.3 Relação MR/RT das misturas asfálticas da pesquisa... 122 QUADRO 5.4 Valores dos coeficientes k e n do modelo Nx σ... 126 QUADRO 5.5 Variação da vida de fadiga segundo o nível de diferença de tensões aplicado... 126 QUADRO 5.6 Relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica com CAP 20... 127 QUADRO 5.7 Análise de sensibilidade em relação a variação das tensões aplicadas (quanto a vida de fadiga)... 128 QUADRO 5.8 Comparação entre o módulo de resiliência e a resistência à tração a 25º C e a relação entre a vida de fadiga de cada mistura e a vida de fadiga da mistura com CAP 20... 130 QUADRO 5.9 Valores dos coeficientes k e n do modelo Nxε ti... 131 QUADRO 5.10 QUADRO 5.11 QUADRO 5.12 QUADRO 6.1 QUADRO 6.2 QUADRO 6.3 QUADRO 6.4 Vidas de fadiga em função do grau de deformação previamente definido... 133 Relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica com CAP 20... 134 Análise de sensibilidade em relação a variação das deformações sofridas (quanto a vida de fadiga)... 135 Caracterização das estruturas adotadas na simulação de dimensionamento... 141 Modelos de comportamento utilizados na simulação com o programa FLAPS... 142 Valores de módulo de resiliência das misturas asfálticas empregadas na simulação... 142 Valores de diferença de tensões e vida de fadiga obtidos na simulação com o programa Flaps, para cada mistura asfáltica estudada... 143
xvii QUADRO 6.5 QUADRO 6.6 QUADRO 6.7 QUADRO 6.8 QUADRO 6.9 QUADRO 6.10 Relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica confeccionada com CAP 20, por diferença de tensões, para as duas estruturas (Flaps)... 144 Valores de deformações específicas de tração iniciais e vida de fadiga obtidos na simulação com o programa Flaps, para cada mistura asfáltica estudada... 146 Relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica confeccionada com CAP 20, por deformação específica de tração inicial, para as duas estruturas (Flaps)... 146 Caracterização das estruturas e dos módulos de resiliência adotados na simulação de dimensionamento... 148 Valores de diferença de tensões e vida de fadiga com os dados obtidos na simulação com o programa Elsym-5 e a relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica confeccionada com o ligante CAP 20, para as duas estruturas... 149 Valores de deformações específicas de tração iniciais e vida de fadiga com os dados obtidos na simulação com o programa Elsym-5 e a relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica confeccionada com o ligante CAP 20, para as duas estruturas... 150
xviii LISTA DE ABREVIATURAS η a, η o, η r N f N σ εt i ε t AASHTO ABNT AMRL ASTM CAP DER/PR DERSA DNER MR RT SHRP SUPERPAVE SBS EVA SBR BMP Viscosidade em diferentes situações Vida de fadiga Número de ciclos Diferença de tensões Deformação específica de tração inicial Deformação específica de tração American Association of State Highway and Transportation Officials Associação Brasileira de Normas Técnicas AASHTO Materials Reference Laboratory American Society for Testing and Materials Cimento asfáltico de petróleo Departamento de Estradas de Rodagem do Estado do Paraná Desenvolvimento Rodoviário S/A Departamento Nacional de Estradas de Rodagem Módulo de Resiliência Resistência à tração por compressão diametral Strategic Highway Research Program Superior Performance Asphalt Pavements Estireno Butadieno Estireno Etileno-acetato de Vinila Estireno Butadieno Rubber Borracha Moída de Pneus
xix RESUMO O objetivo deste trabalho foi caracterizar a influência da adição de modificadores no envelhecimento dos ligantes asfálticos, através da caracterização de suas propriedades físicas e reológicas, e nas características mecânicas e de fadiga das misturas asfálticas dosadas com estes materiais. Um ligante asfáltico tradicional foi modificado por polímeros tipo SBS, EVA e borracha moída de pneus e submetido a ensaios de envelhecimento em laboratório e alguns tiveram seu comportamento observado no campo. Os ligantes asfálticos modificados apresentaram melhor resistência ao envelhecimento do que os ligantes tradicionais, sendo que dois destes, o modificado por EVA e por borracha moída de pneus, apresentaram melhoria na recuperação elástica após o ensaio RTFOT. Constatou-se que o ensaio RTFOT representa com muito mais efetividade o envelhecimento real de campo do que o ensaio TFOT, que é preconizado nas normas brasileiras. Em termos de comportamento mecânico, as misturas elaboradas com ligantes modificados por polímero apresentaram, com base nos ensaios de resistência à tração e módulo de resiliência, menor suscetibilidade térmica. Foi realizada uma análise paramétrica de duas estruturas de pavimento típicas do Sul do Brasil e constatou-se o melhor comportamento das misturas elaboradas com os ligantes modificados em relação aos ligantes asfálticos tradicionais.
xx ABSTRACT The objective of this study aimed characterize the influence of the modifiers addition to the aging process of asphalt binders, through the characterization of their physical and rheological properties, and in the mechanical and fatigue characteristics of the asphalt mixes prepared with these materials. A traditional asphalt binder was modified by SBS and EVA polymers and ground tire rubber and submitted to laboratory aging tests and some had their behavior observed in the field. The modified binders showed better resistance to the aging process than the traditional asphalt binders. Two of them, the EVA modified and asphalt rubber enhanced the elastic recovery after the RTFOT test. It was verified that the RTFOT test shows with much more effectiveness the real aging than the TFOT test, that is preconized in Brazilian norms. Concerning the mechanical behavior, the mixes made with polymer modified binders showed better thermal susceptibility based on tests of indirect tension strenght and resiliency modulus. A parametric analysis of two paving structures that are typical of southern Brazil was conducted and a better behavior of the elaborated mixes with the modified binders in relation to the traditional asphalt binders was verified.
1 CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO O Brasil é um país por excelência rodoviário. Sua malha rodoviária é a principal via de circulação de pessoas e bens e este é um patrimônio que deve ser preservado. A preservação e a ampliação de nossa malha rodoviária pavimentada é uma das principais condições para o grande salto de desenvolvimento que o País precisa. É importante lembrar que veículos trafegando em rodovias em mau estado de conservação consomem mais combustível, aumentam seus custos de operação, perdem mais tempo ao percorrer suas rotas e estão expostos com mais frequência a acidentes. A manutenção da rede nacional pavimentada depende de recursos financeiros e planejamento estratégico adequados para manter o patrimônio existente. A falta de manutenção adequada, motivada por dificuldades financeiras pelas quais passam os órgãos rodoviários em nosso País, acrescida do excesso de carga dos caminhões e as deficiências construtivas nos mostram um quadro realmente preocupante com relação à preservação e eficiência do imenso patrimônio rodoviário nacional. O crescimento da frota circulante com veículos de maior capacidade de carga, maior tração e maior pressão de inflação dos pneus, aliado ao excesso de carga e ao maior espaçamento entre as intervenções de conservação e restauração contribuem para a deterioração das estradas do País. Todos estes fatos vêm preocupando os técnicos rodoviários, tendo em vista os efeitos das tensões transmitidas aos pavimentos e o número acumulado dos esforços causados pelo número crescente de solicitações, o que tem levado alguns pavimentos a um fracasso precoce (DNER - 1998). Dentre as camadas componentes de um pavimento flexível, o revestimento asfáltico é que sofre o maior impacto das cargas solicitantes. O ligante asfáltico é o principal material aglutinante utilizado nos revestimentos do Brasil e o comportamento das misturas confeccionadas quanto ao envelhecimento e quanto a sua resistência principalmente à fadiga e à formação de trilhas de roda é muito importante para garantir a durabilidade dos revestimentos asfálticos.
2 Até meados dos anos 70, as refinarias processavam petróleos de origem definida, freqüentemente a partir de petróleo venezuelano, de reconhecida qualidade para a fabricação de ligantes asfálticos. Tal fato garantia a qualidade e a homogeneidade do ligante asfáltico. A partir dessa época, praticamente universalizou-se o processo de misturas de petróleos de variadas origens e diferentes processos de refino, além da extração de quantidades maiores de frações nobres gerando asfaltos consistentes, posteriormente corrigidos pela adição de gasóleo para obter o enquadramento da consistência. Todos estes fatos podem gerar o que se tem denominado de heterogeneidade dos ligantes asfálticos (PINTO, 1991). O ligante asfáltico sofre o processo de envelhecimento durante a sua usinagem, aplicação na pista e, também, durante a sua vida de serviço. Este fenômeno possui várias causas, sendo a principal delas a oxidação, cujo efeito, entre outros, é o aumento de consistência do ligante asfáltico. Um aumento desta consistência até determinados níveis é uma ocorrência inerente ao comportamento do ligante asfáltico. No entanto, um aumento exagerado desta consistência, principalmente em condições de tráfego pesado, pode diminuir significativamente a vida útil do revestimento. A previsibilidade do aumento desta consistência é um desafio aos técnicos rodoviários. As componentes de aumento das cargas aplicadas em nossas rodovias e a heterogeneidade dos ligantes asfálticos nos levou a refletir sobre como melhorar o comportamento mecânico das misturas asfálticas produzidas no Brasil. Esta melhoria deve levar em conta os danos causados pelas cargas solicitantes, o envelhecimento do ligante e a ação do meio ambiente. Nos últimos trinta anos, a Europa e os Estados Unidos e mais recentemente nosso País tem buscado materiais com melhores características para possibilitar esta melhoria. A adição de modificadores nos ligantes asfálticos, sendo polímeros, proporciona melhorias físicas, químicas e reológicas ao ligante asfáltico tradicional capazes de aumentar a sua durabilidade, por meio do aumento da recuperação elástica, aumento da resistência à deformação permanente e mitigação do envelhecimento. Esta melhora de comportamento do ligante asfáltico deve ser evidentemente balanceada com um custo razoável para sua utilização, tendo em vista que a tecnologia desprovida de viabilidade econômica não pode ser aproveitada pela comunidade rodoviária.
3 Objetivamente, a adição dos modificadores nos ligantes asfálticos tradicionais já é uma realidade, tímida, mas em expansão no Brasil. A caracterização da melhoria das propriedades do ligante asfáltico modificado e das características resistentes das misturas asfálticas confeccionadas com estes ligantes pode auxiliar a compreensão da sua mecânica de funcionamento e justificar a sua utilização, apesar do seu custo inicial mais elevado. 1.1 Objetivo do Trabalho - Geral O objetivo do trabalho é estudar a influência da adição de modificadores no envelhecimento dos ligantes asfálticos, através da caracterização de suas propriedades físicas e reológicas, e nas características mecânicas e de fadiga das misturas asfálticas dosadas com estes materiais. - Específicos a Avaliar o envelhecimento dos ligantes asfálticos em laboratório e comparar com o envelhecimento que ocorre no campo, com o objetivo de verificar qual dos ensaios de envelhecimento em laboratório é mais representativo; b Comparar o comportamento das propriedades mecânicas e de fadiga das misturas asfálticas confeccionadas com ligantes asfálticos convencionais e modificados por diferentes modificadores; c Verificar para diferentes estruturas de pavimento, típicas da região Sul do País, qual dessas misturas apresenta melhor comportamento. 1.2 Procedimentos para Alcançar o Objetivo Os procedimentos para alcançar os objetivos deste trabalho são os seguintes: Caracterização dos ligantes asfálticos, agregados e cal hidratada utilizados; Avaliação do envelhecimento dos ligantes em laboratório; Avaliação do envelhecimento dos ligantes no campo;
4 Avaliação do comportamento mecânico e à fadiga das misturas de concreto asfáltico usinado a quente através dos ensaios de resistência à tração por compressão diametral, módulo de resiliência e vida de fadiga; Análise paramétrica; Discussão dos resultados; Conclusão. 1.3 Importância do Tema A adição de polímeros aos ligantes asfálticos tradicionais é uma tentativa de melhorar suas características físicas e reológicas, que se traduzem na melhoria de desempenho da mistura asfáltica em serviço. O envelhecimento do ligante que ocorre durante a sua usinagem e aplicação na pista, bem como durante toda a sua vida de serviço, é um dos fatores responsáveis pela diminuição da durabilidade das misturas asfálticas. Portanto, a compreensão deste fenômeno é muito importante para que se possa reduzir este envelhecimento, seja modificando a operação das usinas de asfalto e equipamentos de espalhamento e compactação, seja modificando o ligante asfáltico. O desempenho em termos de comportamento mecânico e à fadiga das misturas asfálticas confeccionadas com ligantes asfálticos modificadas por polímeros em comparação com as misturas preparadas com ligantes tradicionais também será avaliado e permitirá que se verifique a eficiência de um tipo e de outro. A avaliação da performance dos ligantes asfálticos com base no envelhecimento e com base nas propriedades mecânicas das misturas possibilitará o aprimoramento dos conhecimentos sobre os ligantes asfálticos modificados e tradicionais, contribuindo para a produção de misturas asfálticas mais duráveis e de maior benefício/custo para o nosso País. 1.4 Delimitação da Pesquisa A pesquisa ora apresentada foi desenvolvida com os cimentos asfálticos de petróleo CAPs oriundos da Refinaria Presidente Vargas REPAR, de Araucária no Estado do Paraná, coletados
5 em janeiro de 2002. Esta informação é importante na medida da alta variabilidade que pode ocorrer na produção dos asfaltos em uma refinaria. Os ligantes utilizados na pesquisa foram caracterizados sob o ponto de vista físico e reológico. Esta pesquisa não envolve caracterização química de ligantes. Todos os ensaios realizados, do ligante ou da mistura asfáltica, foram passíveis de realização em nosso País com relativa facilidade, retratando a nossa realidade tecnológica. O agregado utilizado na confecção das misturas é granítico da região de Castro no Paraná. A pesquisa desenvolveu-se na Universidade Federal de Santa Catarina. A caracterização dos ligantes em suas várias fases, bem como a dosagem das misturas asfálticas foi realizada nos Laboratórios de Pesquisa da Greca Distribuidora de Asfaltos Ltda na cidade de Araucária/PR. Parte dos ensaios especiais de envelhecimento dos ligantes foi realizada no Instituto de Pesquisas Rodoviárias do Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes no Rio de Janeiro. Os ensaios de caracterização mecânica (resistência a tração por compressão diametral e módulo de resiliência) e à fadiga das misturas asfálticas foi realizada no LAPAV Laboratório de Pavimentação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul em Porto Alegre/RS. 1.5 Organização do Trabalho Esta dissertação foi organizada nos seguintes capítulos: Capítulo 1: Introdução, expõe a importância do tema, a justificativa da necessidade de se produzirem revestimentos asfálticos mais duráveis, os objetivos da pesquisa e a organização da estrutura da pesquisa. Capítulo 2: Revisão Bibliográfica, contém aspectos relacionados aos temas do envelhecimento do ligante asfáltico e da avaliação das características mecânicas e à fadiga de misturas asfálticas. Capítulo 3: Metodologia e Materiais Empregados, define a metodologia utilizada na pesquisa e caracteriza todos os materiais empregados na confecção dos ligantes e das misturas asfálticas.
6 Capítulo 4: Apresentação e Discussão dos Resultados de Envelhecimento, apresenta e analisa os resultados obtidos sob os aspectos: análise de dosagem Marshall das misturas asfálticas, envelhecimento de ligantes em laboratório, envelhecimento de ligantes no campo e análise comparativa de envelhecimento campo versus laboratório. Capítulo 5: Apresentação e Discussão dos Resultados de Caracterização Mecânica e de Fadiga, apresenta e analisa os resultados de comportamento mecânico e à fadiga das misturas asfálticas analisadas. Capítulo 6: Análise Paramétrica, através de uma análise paramétrica de duas estruturas típicas do Sul do Brasil, indica qual ligante asfáltico utilizado na mistura asfáltica proporciona o melhor comportamento. Capítulo 7: Conclusões e Recomendações, apresenta as conclusões e recomendações advindas deste trabalho de pesquisa.
7 CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 O Fenômeno do Envelhecimento do Ligante Asfáltico O ligante asfáltico é basicamente um hidrocarboneto composto por moléculas de hidrogênio e carbono. A fórmula exata do ligante asfáltico é muito variável pois ele é um resíduo da produção do refino do petróleo cru e também depende do tipo de petróleo disponível no momento do refino. O betume como outras substâncias orgânicas é afetado pela presença de oxigênio, pela radiação ultravioleta e por variações de temperatura (WHITEOAK, 1990). É um material termoplástico, semi-sólido à temperatura ambiente, viscoelástico, que se comporta como um sólido vítreo a baixas temperaturas e/ou durante carregamento rápido (pequeno tempo de aplicação de carga alta freqüência de aplicação) e como um fluído viscoso a altas temperaturas e/ou durante carregamento lento (longo tempo de aplicação de carga baixa freqüência de aplicação). A resposta do ligante asfáltico ao esforço é, por conseqüência, dependente de ambos, temperatura e tempo de aplicação de carga. Conseqüentemente, a reologia do ligante asfáltico é definida pela sua resposta à tensão/deformação/tempo/temperatura (AIREY & BROWN, 1998). Envelhecimento de um ligante asfáltico pode ser definido como sendo o processo de endurecimento que este sofre durante a estocagem, usinagem, aplicação e em serviço, responsável pela alteração de suas características físicas, químicas e reológicas que causam um aumento na sua consistência (TONIAL, 2001). O ligante asfáltico é utilizado como material de pavimentação na Europa desde a metade do século XIX e nos Estados Unidos, desde o fim do mesmo século. O primeiro estudo sobre envelhecimento de ligante asfáltico foi realizado por A.W. Dow denominado Asphalt Experiments at Washington, no ano de 1903, este relatou que o aquecimento do ligante asfáltico reduzia o peso e a penetração do ligante asfáltico recuperado de misturas. Pesquisas mais amplas sobre o assunto começaram por volta de 1930 (BELL, WIEDER & FELLIN, 1994). Atualmente um dos grandes desafios da pavimentação a quente é reduzir o envelhecimento do ligante asfáltico durante todo o seu ciclo de aplicação.
8 Como outras substâncias orgânicas, o ligante asfáltico oxida lentamente quando em contato com o ar. Os grupos polares oxigenados tendem a associar-se, formando micelas de alto peso molecular e graças a isso ocorre um aumento da viscosidade do ligante asfáltico. Estas transformações geradas resultam em moléculas maiores e mais complexas que fazem o ligante asfáltico endurecer e ficar menos flexível (TONIAL, 2001). O grau de oxidação é altamente dependente da temperatura, superfície e tempo de exposição e da espessura da película de ligante asfáltico. A taxa de oxidação dobra a cada 10º C de aumento na temperatura do ligante acima dos 100º C (WHITEOAK, 1990). O endurecimento devido à oxidação há algum tempo vem sendo considerado a principal causa de envelhecimento do ligante asfáltico (WHITEOAK, 1990 & LEITE, 1999). A oxidação, juntamente com os fatores que governam a velocidade da reação e seus eventuais efeitos, é de importância crítica para a qualidade do ligante asfáltico e para o sucesso do produtor da mistura asfáltica (BROCK, 1996). A Figura 2.1, extraída do Shell Bitumen Handbook (WHITEOAK, 1990), evidencia de maneira clara a gravidade do fenômeno. Na Figura, o Índice de Envelhecimento é representado pela razão ηa/ηo, onde ηa representa a viscosidade em uma dada condição de envelhecimento e ηo, representa a viscosidade inicial do ligante asfáltico. Segundo a Figura 2.1, o envelhecimento do ligante asfáltico do revestimento ocorre em três etapas: a primeira, de maior impacto, se dá quando da usinagem da mistura asfáltica e representa cerca de 60% do envelhecimento total sofrido pelo ligante; a segunda, se dá durante a estocagem (comum em usinas americanas de grande porte, mas não no Brasil), transporte, espalhamento e compactação, representando cerca de 20% do envelhecimento total sofrido pelo ligante; na terceira etapa, o envelhecimento ocorre durante a vida útil do revestimento e se dá devido à ação do meio ambiente e representa cerca de 20% do envelhecimento total sofrido pelo ligante. Embora não ilustrado na Figura 2.1, há que se ressaltar que a primeira alteração propriamente dita da estrutura química do ligante asfáltico após a sua produção pode ocorrer já durante a sua estocagem, mas em menor grau, pois a superfície exposta ao ar no tanque é pequena em relação a massa total do produto (TONIAL, 2001).
9 Figura 2.1 Envelhecimento do ligante asfáltico nas etapas de construção e de utilização do pavimento (WHITEOAK, 1990). De acordo com a Figura 2.1, verifica-se que cerca de 80% do envelhecimento total sofrido pelo ligante asfáltico durante toda a vida útil de um revestimento ocorre durante a usinagem e aplicação da mistura asfáltica, o que vem a enfatizar o apurado controle e cuidados técnicos que se deve ter com as temperaturas de industrialização das misturas. Fisicamente, o envelhecimento de um ligante asfáltico é representado pelo aumento de sua consistência e se apresenta, de uma forma geral, como um aumento de viscosidade associado à uma diminuição da penetração e aumento do ponto de amolecimento, com perda de suas características aglutinantes (WHITEOAK, 1990 & PINTO, 1991). Esse aumento de consistência influencia o comportamento físico e reológico do ligante asfáltico, deixando-o mais duro e, por conseguinte, mais quebradiço, menos dúctil e menos elástico.
10 Segundo TRAXLER, 1961 (citado por BELL, WIEDER & FELLIN, 1994), as causas do envelhecimento do ligante asfáltico são: 1) Oxidação; 2) Volatilização; 3) tempo (conduz a estruturação ou endurecimento); 4) polimerização induzida pela radiação solar; e, 5) polimerização (por aquecimento). TRAXLER expandiu esta lista para 15 itens em 1963. Os efeitos da luz foram divididos entre envelhecimento pela luz direta e pela luz refletida. Deterioração microbiológica também foi considerada como responsável pelo endurecimento do ligante asfáltico. Já para PETERSEN, 1984 (citado por BELL, WIEDER & FELLIN, 1994), três são as principais causas do envelhecimento do ligante asfáltico: 1) perda de componentes oleosos por volatilização ou adsorção; 2) mudanças na composição por reação com o oxigênio atmosférico; e, 3) efeitos tixotrópicos que produzem a estruturação molecular. De acordo com WHITEOAK (1990), quatro são os mecanismos principais responsáveis pelo envelhecimento do ligante asfáltico: - Oxidação: como outras substâncias orgânicas, o ligante asfáltico oxida lentamente quando em contato com o ar. Durante o processo de usinagem, a presença de oxigênio, a grande superfície específica dos agregados e as altas temperaturas dentro do pug-mill ou dentro do tambor-secador-misturador propiciam a oxidação; - Perda de voláteis, a evaporação de componentes voláteis depende também da temperatura e da condição de exposição. Esta perda pode ser considerada baixa em ligantes asfálticos puros tendo em vista que estes têm baixos teores de voláteis; - Endurecimento físico ocorre à temperatura ambiente e é atribuído à reordenação de moléculas e a cristalização de parafinas. Este é um fenômeno reversível; e,
11 - Endurecimento exsudativo resulta do movimento dos componentes oleosos que exsudam do ligante asfáltico para dentro do agregado mineral. Esta é uma função tanto da tendência de exsudação do ligante como da porosidade do agregado. Enquanto o mecanismo de envelhecimento do ligante e da mistura é complexo, seu impacto sobre o desempenho do pavimento é geralmente compreendido. Como o ligante asfáltico envelhece, isto resulta em um aumento da rigidez deste ligante e, conseqüentemente, da mistura asfáltica. Este efeito tende a aumentar a resistência à formação das trilhas de roda da mistura e pode ser considerado como um efeito benéfico do envelhecimento. Por outro lado, o envelhecimento pode resultar no desenvolvimento e/ou aceleração de vários tipos de problemas, tais como trincamento e fratura por fadiga, trinca térmica e deterioração devido ao desgaste e à umidade, esforços que podem levar à falência da estrutura do pavimento (BELL, WIEDER & FELLIN, 1994; MIRZA & WITCZAK, 1995). 2.1.1 Fatores Químicos e Reológicos sobre o Envelhecimento do Ligante Asfáltico Nos últimos 50 anos, significativas pesquisas foram realizadas em todo o mundo sobre aplicação e comportamento das misturas asfálticas. Enquanto enormes avanços foram alcançados neste estado da arte, o problema do endurecimento/envelhecimento do ligante asfáltico no processo de usinagem e na sua vida de serviço ainda carece de estudos adicionais para seu completo entendimento. A configuração interna da estrutura de um ligante asfáltico é predominantemente determinada pela constituição química das espécies de moléculas presentes. Análises elementares de ligantes asfálticos oriundos de vários óleos crus mostram que a maior parte dos ligantes contém (WHITEOAK, 1990): - Carbono: 82 88 %; - Hidrogênio 8 11 %; - Enxofre 0 6 %; - Oxigênio 0 1,5 %; e, - Nitrogênio 0 1 %.
12 Segundo MIRZA & WITCZAK (1995), um dos fatores que afetam o envelhecimento do ligante asfáltico é a sua composição química original. Historicamente, os cimentos asfálticos são classificados por especificações baseadas em faixas de valores de consistência a uma ou mais temperaturas. Isto se deve à facilidade de medir estas propriedades físicas em comparação às propriedades químicas. A classificação dos ligantes asfálticos por propriedades físicas não é totalmente precisa pois, embora dois ou mais cimentos asfálticos tenham valores de consistência similares, podem ter composições químicas totalmente diferentes devido às diferentes fontes de óleo cru, processos de refino e nível de aditivos presentes (óleos voláteis, por exemplo). A correta composição varia de acordo com a fonte do óleo cru da qual o ligante asfáltico é obtido. A correta composição química do ligante asfáltico é extremamente complexa e sua completa análise (se possível) seria extremamente laboriosa e produziria uma quantidade de dados tão grande que a correlação com as propriedades reológicas seria praticamente impossível. No entanto, é possível separar o ligante asfáltico em dois grandes grupos químicos denominados de asfaltenos e maltenos. Os maltenos podem ainda ser subdivididos em saturados, aromáticos e resinas (WHITEOAK, 1990). A Figura 2.2 apresenta esquematicamente a análise de composição química de um ligante através da técnica de cromatografia. O ligante asfáltico é tradicionalmente considerado como um sistema coloidal consistindo de micelas de asfalteno de alto peso molecular dispersas ou dissolvidas em um meio oleoso de baixo peso molecular (maltenos). A Figura 2.3 ilustra o enunciado acima.
13 Figura 2.2 Representação esquemática da análise da composição química de um ligante asfáltico (WHITEOAK, 1990). Figura 2.3 Representação da estrutura coloidal de cimento asfáltico (YEN, 1991).
14 Segundo TONIAL (2001), durante o processo de envelhecimento ocorre normalmente uma diminuição do teor de aromáticos, que se transforma em resina, que por sua vez, parte se transforma em asfaltenos. Ao final do processo, o balanço é o seguinte: ocorre pequena ou nenhuma variação do teor de saturados e resinas, diminuição do teor de aromáticos e aumento no teor de asfaltenos. Visando ilustrar a mudança da composição química do ligante asfáltico com o tempo, AIREY & BROWN (1998), no Quadro 2.1, apresentam as mudanças de porcentagem dos componentes químicos do ligante asfáltico denominados Saturados, Aromáticos, Resinas e Asfaltenos, obtidos através do cromatógrafo de película fina Iatroscan, de três ligantes asfálticos originais após a realização dos ensaios de envelhecimento RTFOT e PAV. Os ligantes asfálticos originais são oriundos de diferentes fontes, com composições químicas diferentes, mas com valores de consistência similares e são os seguintes: Oriente Médio, com penetração 80/100; Rússia, com penetração de 80; e Venezuela, com penetração entre 70/100. Quadro 2.1 Mudanças na composição química dos ligantes asfálticos após ensaios de envelhecimento (AIREY & BROWN, 1998). Ligante Saturados Aromáticos Resinas Asfaltenos Condição Asfáltico (%) (%) (%) (%) Original 5 69 15 11 Oriente Após RTFOT 6 61 20 13 Médio Após PAV 6 52 24 18 Rússia Original Após RTFOT Após PAV 4 4 5 68 64 52 19 21 28 9 11 15 Venezuela Original Após RTFOT Após PAV 11 13 12 58 54 47 17 17 21 14 16 20 Os três ligante asfálticos, após os ensaios de envelhecimento, experimentaram um decréscimo na porcentagem dos aromáticos e um aumento na porcentagem dos asfaltenos e resinas (resultando em um aumento do peso molecular). A porcentagem em massa dos saturados manteve-se constante.
15 Estudos de longo prazo têm sido empregados para determinar se a composição química do ligante asfáltico muda com o tempo. Para tanto, devem ser apreciados diferentes tipos de misturas, de agregados e de teores de ligante, visando obter dados consistentes e de diferentes situações das misturas asfálticas no campo. CHIPPERFIELD, DUTHIE & GIRDLER, 1970 (citados por WHITEOAK, 1990) e também o próprio WHITEOAK, 1990, apresentam, na Figura 2.4, os resultados de seus estudos em termos de Índice de Envelhecimento (relação entre a viscosidade do ligante asfáltico recuperado, η r, e a viscosidade inicial do ligante, η o, a 25 C) e em termos de componentes químicos. Ligante original Depois da usinagem Depois da compactação Índice de envelhecimento Peso em porcentagem Saturados Aromáticos Resinas Asfaltenos Vida de serviço, anos Figura 2.4 Alterações na composição química do ligante asfáltico após usinagem, aplicação e durante a vida de serviço (WHITEOAK, 1990). De acordo com a Figura 2.4, as maiores mudanças na viscosidade são associadas à usinagem e à aplicação da mistura asfáltica na pista, como já foi demonstrado na Figura 2.1. Adicionalmente, a Figura 2.4 também apresenta a variação da composição química do ligante asfáltico com o tempo.
16 Pode-se observar que o teor de asfaltenos aumenta significativamente durante a usinagem e depois, gradualmente ao longo do tempo. Já o teor de resinas e aromáticos decresce com o tempo. Era esperada uma pequena mudança no teor de saturados. Algum aumento foi notado, provavelmente devido ao óleo derramado pelos veículos na pista que pode ter interferido nos resultados obtidos. Outra maneira de caracterizar o efeito do envelhecimento é através dos testes reológicos empíricos tradicionais, que são rápidos e de fácil execução, como a penetração, o ponto de amolecimento e medidas de viscosidades. Estes ensaios parecem capazes de descrever adequadamente as mudanças no comportamento reológico nos ligantes tradicionais depois do envelhecimento. O Quadro 2.2 apresenta os resultados dos estudos de AIREY & BROWN (1998) sobre as mudanças na reologia do ligante asfáltico decorrentes dos ensaios de envelhecimento com os mesmos ligantes caracterizados quimicamente no Quadro 2.1. Quadro 2.2 - Mudanças nos ensaios convencionais dos ligantes asfálticos após ensaios de envelhecimento (AIREY & BROWN, 1998). Índice de Envelhecimento Ligante Após Característica Original Após PAV RTFOT/ PAV/ Asfáltico RTFOT Original Original Pen (0,1 mm) 60 45 24 0,75 0,4 Oriente PAmol (ºC) 48,8 52,6 59,3 1,08 1,22 Médio Visc 60ºC (P) 262 505 2038 1,93 7,78 80/100 Visc 135ºC (cp) 510 660 1030 1,29 2,02 Pen (0,1 mm) 73 51 24 0,7 0,33 Rússia PAmol (ºC) 47 50,8 57,3 1,08 1,22 80 Visc 60ºC (P) 165 343 1028 2,08 6,23 Visc 135ºC (cp) 370 470 760 1,27 2,05 Pen (0,1 mm) 81 53 28 0,75 0,4 Venezuela PAmol (ºC) 46,8 51,2 59,2 1,09 1,26 70/100 Visc 60ºC (P) 213 455 1950 2,14 9,15 Visc 135ºC (cp) 380 520 870 1,37 2,29
17 O comportamento reológico dos ligantes, como esperado, se traduziu, após os ensaios de envelhecimento, em diminuição da penetração e aumento do ponto de amolecimento e das viscosidades. 2.1.2 Fatores que Influenciam no Processo de Envelhecimento do Ligante Asfáltico em uma Mistura Asfáltica O envelhecimento de um ligante asfáltico pode ser dividido em duas fases: envelhecimento de curto prazo, devido à usinagem da mistura asfáltica, seu espalhamento e até o término da sua compactação; e, envelhecimento de longo prazo, que ocorre durante a vida útil do revestimento (MIRZA & WITCZAK, 1995). As circunstâncias em que ocorre o envelhecimento do ligante asfáltico variam consideravelmente. Durante sua estocagem, grandes volumes de ligante asfáltico são mantidos a altas temperaturas por vários dias. Durante a usinagem, transporte e aplicação, finíssimas películas de ligante asfáltico são expostas a altas temperaturas por um curto período de tempo e durante a sua vida de serviço, esta mesma finíssima película de ligante é exposta a moderadas variações de temperatura durante um longo período de tempo, coincidente com a vida de serviço do revestimento. O envelhecimento do ligante asfáltico durante a sua estocagem em tanques a altas temperaturas é muito pequeno. Isto se deve a pequena superfície de exposição ao oxigênio em relação ao volume total do ligante (WHITEOAK, 1990). 2.1.2.1 Envelhecimento de curto prazo O envelhecimento de curto prazo é decorrente da usinagem, transporte, distribuição e compactação da mistura asfáltica na pista. Durante estas etapas, o ligante asfáltico é exposto a altas temperaturas e grande superfície de exposição (pequenas espessuras de ligante sobre o agregado aquecido) em um período relativamente curto de tempo (25 a 50 segundos, dependendo do tipo de usina de asfalto empregada).
18 A temperatura de usinagem, envolvendo a associação da temperatura do ligante e dos agregados, é uma das principais causas do envelhecimento de curto prazo do ligante asfáltico (TONIAL, 2001). Durante a mistura destes insumos, com duração variável dependendo do tipo de usina utilizada, uma fina camada de ligante asfáltico recobrirá os agregados. As altas temperaturas, tanto do ligante como do agregado ou de ambos, a presença de oxigênio e a grande superfície de exposição, levam a um incremento da taxa de envelhecimento do ligante asfáltico. Para ilustrar a importância da temperatura no envelhecimento do ligante asfáltico, apresenta-se a Figura 2.5, em que se pode visualizar o aumento de consistência do ligante (traduzido em C de aumento do ponto de amolecimento) em função do aumento da temperatura de usinagem. Aumento no Ponto de Amolecimento, º C Temperatura de Usinagem, C Figura 2.5 Relação entre a temperatura de usinagem da mistura asfáltica e o aumento no ponto de amolecimento do ligante asfáltico (WHITEOAK, 1990). O aumento do ponto de amolecimento observado na Figura 2.5, demonstra que a exposição do ligante durante a usinagem a temperaturas mais altas apresenta, proporcionalmente, um aumento de consistência ou endurecimento que inevitavelmente enrijecerá também a mistura asfáltica.
19 A taxa de envelhecimento depende do tipo de mistura, da sua temperatura, do período de duração da usinagem, do seu teor de betume e por, conseqüência, da espessura da película de ligante asfáltico e até mesmo do tipo de usina utilizado, se gravimétrica ou contínua (WHITEOAK, 1990; MIRZA & WITCZAK, 1995). A prevenção do endurecimento prejudicial durante a usinagem depende do conhecimento e controle de todos estes fatores intervenientes. Durante a usinagem, a superfície de todos os agregados é recoberta com uma fina película de ligante (variável entre 5 e 15 micras de espessura). BROCK (1996) apresenta o seguinte raciocínio: se fosse possível distribuir em uma superfície plana contínua, toda a superfície dos agregados a ser recoberta com uma espessura de 10 micras de ligante asfáltico, com ligante suficiente para fabricar uma tonelada de massa asfáltica com teor de 6%, ter-se-ia uma superfície plana de 5.330 m 2. Isto demonstra o quanto a superfície de exposição é grande em relação a espessura da película e, portanto, demonstra como é maximizado o contato do ligante com o oxigênio do ar. Segundo CAMPEN ET AL (citados por KANDHAL & CHAKRABORTY, 1996), películas de ligante asfáltico mais espessas produzem misturas flexíveis e duráveis enquanto que películas excessivamente finas, produzem misturas frágeis/quebradiças, tendendo a trincarem. A Figura 2.6, extraída do Shell Bitumen Handbook (WHITEOAK, 1990), demonstra o efeito da espessura de película de ligante asfáltico no seu envelhecimento. Na Figura, ηa representa a viscosidade em uma dada condição de envelhecimento e ηo, representa a viscosidade inicial do ligante. Segundo a Figura 2.6, na medida em que se aumenta a espessura de película de ligante asfáltico sobre o agregado, menor será o Índice de Envelhecimento, traduzido em função de uma relação de viscosidades entre o ligante original antes e após o envelhecimento. Isto demonstra um menor aumento de consistência do ligante asfáltico quanto maior for a espessura de película sobre o agregado. Durante a aplicação da mistura asfáltica no campo, em que se pode considerar as atividades de transporte, distribuição e compactação da mistura asfáltica, o envelhecimento do ligante asfáltico persiste até o total resfriamento do revestimento.
20 Índicede Envelhecimento Espessura de película, micra Figura 2.6 Efeito da espessura de película de ligante asfáltico no envelhecimento (WHITEOAK, 1990). 2.1.2.2 Envelhecimento de longo prazo A maior taxa de envelhecimento do ligante asfáltico ocorre durante a usinagem, como já foi apresentado. No entanto, existe uma porção importante de envelhecimento que ocorre durante a vida de serviço da mistura asfáltica. O envelhecimento de longo prazo é influenciado por uma série de fatores. WHITEOAK (1990) considera que o principal fator responsável pelo endurecimento do ligante asfáltico em serviço é o teor de vazios da mistura asfáltica. Outro fator importante é a condição ambiental da região do pavimento. Altas temperaturas são geralmente associadas ao aumento das taxas de oxidação. TONIAL (2001) relaciona como fatores importantes no envelhecimento de longo prazo, os seguintes: teor de vazios, espessura de película, a absorção do agregado e a profundidade da camada asfáltica.
21 MIRZA & WITCZAK (1995) relatam que o teor de ligante e o teor de vazios da mistura, tanto quanto a mudança no teor de vazios da mistura devido à densificação pelo tráfego, são também fatores que influenciam as taxas de envelhecimento dos ligantes asfálticos. Além do mais, no envelhecimento de longo prazo, o processo de oxidação pode ser observado em função da profundidade da camada do revestimento. No tocante ao teor de vazios, sua importância decorre de que quanto maior o teor de vazios da mistura no campo, mais rápida será a velocidade de envelhecimento do ligante asfáltico que, conseqüentemente, enrijecerá também a mistura. Visando ilustrar tal fato, WHITEOAK (1990) apresenta a Figura 2.7, em que a penetração de ligantes asfálticos extraídos de corpos-de-prova de trechos com 5 anos de idade é plotada em relação ao teor de vazios das misturas asfálticas destes trechos (com porcentagens de vazios variáveis entre 3 e 12%). Penetração inicial: 100 d mm Penetração após mistura: 70 d mm Penetração a 25º C, d mm Teor de vazios, % Figura 2.7 Relação entre o teor de vazios da mistura e a penetração do ligante asfáltico em função do envelhecimento em serviço (WHITEOAK, 1990).
22 Pode-se observar na Figura 2.7 que uma mistura asfáltica com 10% de vazios apresenta uma penetração de ligante asfáltico recuperado em torno de 25 (0,1 mm) e que uma mistura com a metade da porcentagem de vazios, ou seja 5%, apresenta uma penetração de ligante asfáltico recuperado em torno de 58 (0,1 mm). Portanto, uma mistura asfáltica no campo com 5 anos de vida útil, com metade da porcentagem de vazios da outra apresenta uma perda de penetração do ligante asfáltico recuperado de 33 (0,1 mm), ou seja, a penetração do ligante asfáltico da mistura com menor teor de vazios é 2,3 vezes maior que a penetração do ligante asfáltico recuperado da mistura com maior teor de vazios. Portanto, para este caso, quanto maior o teor de vazios da mistura asfáltica, menor a penetração do ligante asfáltico recuperado, o que configura um maior enrijecimento do ligante pelo maior contato com o oxigênio, ou seja um maior envelhecimento deste ligante asfáltico. Como recomendação de ordem prática, com base no exposto, pode-se assumir que a compactação adequada de uma mistura asfáltica no campo não se limita apenas à diminuir a permeabilidade do revestimento, mas também reduz fortemente o envelhecimento da mistura ao longo do tempo. WHITEOAK (1990) prossegue afirmando que, para misturas asfálticas no campo de diferentes idades contendo porcentagem de vazios menores do que 5%, o envelhecimento do ligante asfáltico que ocorre pode ser considerado aceitável. Embora misturas contínuas e descontínuas (tipo gap-graded) possam ser consideradas como misturas densas, as misturas descontínuas são consideradas mais duráveis por serem normalmente menos permeáveis ao ar do que as misturas contínuas para uma mesma porcentagem de vazios, segundo MARAIS, 1974 (citado por WHITEOAK, 1990). Os vazios das misturas densas descontínuas são mais discretos e não interconectados como os vazios das misturas densas contínuas. A espessura de película, como no envelhecimento de curto prazo, também assume fundamental importância no envelhecimento da mistura asfáltica a longo prazo e é tanto maior quanto mais exposta ao ar ela se encontra. Uma espessura de película de ligante asfáltico maior sobre o agregado, minimiza o efeito do envelhecimento de longo prazo, mantendo a mistura asfáltica flexível e durável por um período maior de tempo.
23 Segundo WHITEOAK (1990), agregados porosos com alta absorção podem vir a absorver componentes oleosos de ligantes asfálticos desbalanceados (em função da quantidade de componentes parafínicos de baixo peso molecular presentes no ligante em relação à quantidade e tipo de asfaltenos) causando envelhecimento do filme de ligante asfáltico remanescente. O ligante asfáltico próximo à superfície do revestimento endurece mais rápido do que aquele no interior da camada asfáltica. A explicação para isto se deve (WHITEOAK, 1990): Ao constante contato entre o ligante asfáltico e o oxigênio; Às altas temperaturas na superfície do revestimento; e, À foto-oxidação do ligante asfáltico devido a radiação ultra violeta. A velocidade da oxidação superficial é ilustrada na Figura 2.8, em que a penetração, o ponto de amolecimento e o IP (índice de suscetibilidade térmica) do ligante asfáltico recuperado da superfície e do interior da camada é plotado ao longo dos anos. Depois de sete anos, a penetração do ligante asfáltico recuperado na superfície é 25 (0,1 mm), enquanto que no interior da camada, a penetração do ligante asfáltico é 45 (0,1 mm). Pode-se observar, também, o incremento no valor do IP do ligante asfáltico recuperado da superfície em relação ao IP do ligante localizado dentro da camada asfáltica.
24 IP Asfalto Original Profundidade Média Superfície Penetração a 25 C, dmm 1 Ano 2 Anos 7 Anos 1 Ano Ano Anos Anos IP Ponto de Amolecimento, C Figura 2.8 Endurecimento do ligante asfáltico na superfície e no interior da camada asfáltica de revestimento (WHITEOAK, 1990). 2.1.3 Caracterização do Envelhecimento do Ligante Asfáltico Há algum tempo dispõem-se de ensaios que procuram simular o efeito da usinagem nas propriedades do ligante asfáltico. Nas especificações dos ligantes asfálticos brasileiros consta o ensaio ECA - Efeito do Calor e do Ar perda por aquecimento normalizado no método da ABNT MB 425 e ASTM D 1754. Têm-se também os ensaios de envelhecimento prescritos pelo SUPERPAVE (Superior Performance Asphalt Pavements) do Programa SHRP (Strategic Highway Research Program): o ensaio RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test), método ASTM D 2872 e também normalizado pela AASHTO (T-240), e o ensaio PAV (Pressure Aging Vessel), método ASTM D 6521.
25 2.1.3.1 Efeito do calor e do ar ECA É o ensaio que procura prever o endurecimento de um ligante asfáltico durante a usinagem da mistura asfáltica. Este ensaio também é conhecido como aquecimento em película delgada - TFOT (Thin Film Oven Test). Foi adotado pela AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) em 1959 e pela ASTM (American Society for Testing and Materials) em 1969. Muitos pesquisadores concluíram que a efetividade deste ensaio é limitada para simulação do envelhecimento de curto prazo (BELL, WIEDER & FELLIN, 1994). Durante o ensaio, ocorre a liberação dos voláteis, alterando a penetração do ligante asfáltico. Assim, é possível avaliar a variação de penetração, medindo-a antes e depois do ensaio. No ensaio, uma amostra de 50 ml de ligante é colocada em um recipiente cilíndrico de 14 cm de diâmetro interno e 0,9 cm de altura, o que propiciará uma película de aproximadamente 3,2 mm de espessura. O material assim preparado é levado para uma estufa de prateleiras giratórias com circulação de ar a uma temperatura de 163 +/- 1 C, por um período de 5 horas. A Figura 2.9 mostra o equipamento utilizado. A variação de massa ocorrida, expressa como porcentagem da massa inicial da amostra, representa a perda de massa do ligante asfáltico por aquecimento em película delgada. O ensaio de Efeito do Calor e do Ar (ECA), de acordo com a especificação DNC 01/92 Rev 02, reza o seguinte: Variação em massa: máxima de 1,0%; Relação de viscosidade (relação entre a viscosidade após o ensaio e a viscosidade original do ligante asfáltico): máxima de 4; Ductilidade a 25 C (em cm): mínima de 50 para CAP 7; mínima de 20 para CAP 20; e mínima de 10 para CAP 40; e, Penetração mínima de 50% da penetração original (quer dizer, ter no mínimo 50% da penetração original) para ligantes classificados por penetração, caso do CAP 30/45 e CAP 50/60, e mínima de 47% para CAP 85/100.
26 Figura 2.9 Equipamento para o ensaio de efeito do calor e do ar em película delgada (TFOT). 2.1.3.2 Aquecimento em película delgada rolada - RTFOT Em 1963, a Divisão de Estradas do Departamento de Obras Públicas do Estado da Califórnia desenvolveu um teste que simula de forma ainda mais efetiva a usinagem de uma mistura asfáltica. Este ensaio é o Rolling Thin-Film Oven Test (RTFOT) (WHITEOAK, 1990). Isto é possível, pois o ensaio permite a formação de películas de ligante asfáltico mais delgadas que no ensaio ECA. Neste ensaio, oito recipientes cilindrícos de vidro (jarros) contendo 35 gramas de ligante são fixados em uma prateleira vertical rotativa. Durante o teste, o ligante asfáltico flui continuamente em volta da superfície interna de cada recipiente, como uma película relativamente fina (1,25 mm) com ar pré-aquecido periodicamente soprado dentro de cada jarro de vidro. A amostra literalmente rola no recipiente de vidro durante 85 minutos à temperatura de 163 C com ventilação. A Figura 2.10 ilustra o equipamento utilizado. Após este procedimento, é possível submeter o ligante asfáltico residual a vários ensaios, como penetração, ponto de amolecimento, ductilidade, viscosidade, etc, além da obtenção da perda de massa.
27 O RTFOT foi aprovado em 1970 pela American Society for Testing and Materials como método ASTM D 2872 e normalizado pela AASHTO (T-240). Atualmente este ensaio faz parte do Programa SHRP e das Normas da Comunidade Européia EN 12591/1999 e CEN TC 19/2000. Figura 2.10 Equipamento utilizado para o ensaio de efeito do calor e do ar em película delgada rolada (RTFOT). 2.1.3.3 Pressure aging vessel - PAV O vaso de envelhecimento sob pressão simula o endurecimento oxidativo que ocorre no ligante asfáltico, ao longo da vida útil do pavimento (podendo simular vidas de serviço de até 15 anos). As amostras envelhecidas no PAV posteriormente podem ser testadas nos seguintes equipamentos: reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) que é utilizado para caracterizar as propriedades viscoelásticas do ligante asfáltico; reômetro de fluência em viga (BBR) que é utilizado na caracterização da rigidez do ligante asfáltico a baixa temperatura; teste de tração direta (DTT) que é utilizado para verificar a ductilidade a baixas temperaturas e viscosímetro
28 rotacional (RTV) que caracteriza a rigidez do ligante asfáltico a 135º C. Todos estes ensaios fazem parte da Especificação SUPERPAVE. A Figura 2.11 ilustra o equipamento utilizado. Figura 2.11 Vaso de envelhecimento pressurizado. 2.1.3.4 Análise comparativa quanto a severidade dos ensaios de envelhecimento Tanto o ensaio conhecido como ECA (TFOT) como o RTFOT possuem a mesma finalidade, qual seja, simular o efeito da usinagem no ligante asfáltico. Segundo PETERSEN, 1989 (citado por BELL, WIEDER & FELLIN, 1994) muitos outros testes foram desenvolvidos para tal fim. No entanto, as melhores correlações com o envelhecimento de campo são obtidas pelos ensaios TFOT e RTFOT. No Brasil, as especificações de ligantes asfálticos mencionam o ensaio ECA para prever esse efeito. O Relatório Final da Pesquisa de Asfaltos Modificados por Polímeros do DNER (Junho de 1998) ressalta que o ECA não representa de forma satisfatória o que ocorre na prática. Os relatórios do Programa Estratégico de Pesquisa Rodoviária (SHRP Strategic Highway Research Program) desenvolvido nos Estados Unidos, com relação ao envelhecimento do ligante asfáltico, preconizam a utilização do ensaio RTFOT. Segundo LEITE (1999), o ensaio RTFOT simula melhor a usinagem à quente.
29 A maior crítica ao ensaio ECA (TFOT) é a falta de homogeneidade do envelhecimento observada. A razão disso se deve à formação de uma película envelhecida na parte superior do recipiente cilíndrico que protege o ligante asfáltico, não permitindo que este sofra os efeitos da circulação de ar em todo o volume da amostra. ZUPANICK (1994) elaborou uma pesquisa comparativa de severidade quanto ao envelhecimento do ligante asfáltico entre o ensaio TFOT e RTFOT. Para tanto, utilizou-se dos dados do AMRL (AASHTO Materials Reference Laboratory), que possuía 5200 repetições do ensaio TFOT e 1800 testes do ensaio RTFOT (dados coletados entre 1976 e 1992). Os dados utilizados na análise foram: relação de viscosidades a 60º C, relação de viscosidades a 135º C, % de penetração retida à 25 graus e % de perda de massa. Os dados indicaram que o ensaio RTFOT foi o mais severo e que o ensaio TFOT tende a ter uma severidade relativa mais baixa para ligantes asfáltico que têm uma viscosidade inicial alta. Os dados também permitiram concluir que o ensaio RTFOT é mais preciso para medição de mudanças nas propriedades reológicas, enquanto que o ensaio TFOT é geralmente mais preciso para medição de perda de massa. ZUPANICK (1994) conclui que, contrariamente ao que se acreditava, os testes TFOT e RTFOT não são intercambiáveis. Além disso, devido à rapidez do ensaio e à sua precisão, o ensaio RTFOT é o mais indicado para simular o efeito do envelhecimento que ocorre durante a usinagem. WHITEOAK (1990), também corrobora com as afirmações de outros pesquisadores e conclui: neste ensaio, TFOT, a propagação na película de ligante asfáltico é limitada e não é possível se obter endurecimento ou envelhecimento homogêneo e, por essa razão, o teste está longe do ideal. O método RTFOT assegura que todo o ligante asfáltico é exposto ao aquecimento e ao ar e a contínua movimentação garante que não se desenvolva uma película de proteção do ligante (como ocorre no TFOT). Um material envelhecido homogêneo é obtido, similar ao produzido durante a usinagem. Claramente, as condições do ensaio não são idênticas àquelas encontradas na prática, mas a experiência tem demonstrado que a parcela de endurecimento no RTFOT correlaciona razoavelmente bem com aquela observada nas convencionais usinas gravimétricas.
30 2.1.3.5 Casos práticos de envelhecimento do ligante asfáltico A título de exemplo, o Quadro 2.3, apresenta o aumento de consistência do ligante asfáltico CAP - 20 recuperado após usinagem de diferentes misturas aplicadas como revestimento, oriundas do banco de dados da Greca Distribuidora de Asfaltos Ltda. Amostras analisadas Quadro 2.3 Envelhecimento do ligante asfáltico CAP - 20 após usinagem. Penetração (0,1 mm) P. de Amolecimento (º C) Visc.Din. 135 C (cp) Visc.Din. 155 C (cp) Visc.Din. 175 C (cp) 1 25 55 - - - - 5 21,5 - - - - - 4 21,5 57 693 - - - 2 31 51 538 207 87-1 23 57 725 262 110-1 15 70 2755-306 5 18 65 1239-146 Média ponderada 23,4 55,3 653 225 95 Obs. Super aquecido Super aquecido As primeiras treze análises referentes às cinco primeiras linhas fornecem as médias ponderadas apresentadas no Quadro 2.3. Um ligante asfáltico CAP - 20 tradicional, após usinagem, pode assumir uma penetração de 23,4 (0,1 mm); ponto de amolecimento de 55,3 º C; e viscosidades dinâmicas: à 135º C, de 653 cp; à 155º C, de 225 cp; e à 175º C, de 95 cp. É evidente o aumento de consistência do ligante após usinagem. Note-se agora as duas análises realizadas de ligante asfáltico recuperado em que consta a observação de ligante presumivelmente super aquecido. O ligante CAP 20 nesta situação, apresenta uma penetração média ponderada de 17,5 (0,1 mm) e um ponto de amolecimento de 65,8º C. As viscosidades dinâmicas são exageradamente altas para qualquer tipo de análise. WHITEOAK (1990) afirma que a penetração de um ligante asfáltico igual a 20 (0,1) mm é tida por muitos como a penetração crítica. Nesta situação a mistura asfáltica fica vulnerável ao arrancamento dos agregados e também à ruptura.
31 2.1.4 Medida da Viscosidade dos Ligantes Asfálticos Reologia é a ciência que estuda como a matéria se deforma ou escoa quando está submetida a esforços produzidos por forças externas. Esta matéria pode ser sólida, líquida ou gasosa. A deformação de um sólido é caracterizada por leis que descrevem a alteração de seu volume, forma ou tamanho. Já o escoamento de um fluido líquido ou gás, é definido por leis que descrevem a variação contínua da taxa de deformação em função das forças ou tensões aplicadas. Os líquidos viscosos são classificados geralmente em função do seu comportamento reológico, que envolve a determinação e análise da relação entre a tensão de cisalhamento e o gradiente de velocidade, também definido como grau de deformação ou taxa de cisalhamento para uma dada temperatura e pressão. De uma forma abrangente, os fluidos viscosos podem ser classificados como newtonianos e não newtonianos (MACHADO, 1998). Os fluidos são newtonianos quando a viscosidade só é influenciada pela temperatura e pressão. Neste caso, quando um fluido newtoniano escoa em um regime laminar, existe uma relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento. Uma única medição experimental é suficiente para definir a sua viscosidade dinâmica absoluta, devido a constância da razão entre a tensão cisalhante e a taxa de cisalhamento que ocorre neste caso. De um modo geral, os gases e todos os sistemas homogêneos e monofásicos e compostos de baixo peso molecular, se comportam como fluidos newtonianos. Como exemplo, cita-se a água, ar, óleos e seus derivados. Os ligantes asfálticos nem sempre obedecem essa lei. Todo fluido em que a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento não é constante, é classificado como fluido não newtoniano, considerando ainda temperatura e pressão constantes e escoamento laminar (MACHADO, 1998). A viscosidade desses fluidos não é única e varia com a magnitude da taxa de cisalhamento. No caso específico dos ligantes asfálticos modificados, existe uma tendência ao comportamento não newtoniano.
32 A obtenção da viscosidade absoluta ou dinâmica nesta pesquisa foi realizada por meio do viscosímetro rotacional RTV (rotational viscometer ou viscosímetro Brookfield). Este viscosímetro caracteriza a rigidez/fluidez do ligante asfáltico através da medição da viscosidade numa gama de temperaturas bastante ampla. A medida de viscosidade é possível através da avaliação do torque necessário para rodar um spindle imerso na amostra à velocidade constante, ou seja, pela observação da força de fricção devido ao movimento de um rotor submerso na amostra em exame (PINTO, 2002). A Figura 2.12 ilustra o viscosímetro Brookfield. A viscosidade é a razão entre a tensão de cisalhamento aplicada e a taxa de cisalhamento de um líquido. Esta razão é também chamada de coeficiente de viscosidade dinâmica. Este coeficiente é a medida da resistência ao escoamento do líquido, comumente chamada de viscosidade dinâmica. A unidade no sistema internacional (SI) é o Pascal-segundo (Pa.s). No sistema CGS, a unidade é o Poise e é equivalente a 0,1 Pa.s. O centipoise (cp) é equivalente ao milipascal-segundo (mpa.s) e é freqüentemente usado como unidade de viscosidade. Figura 2.12 Viscosímetro Brookfield.
33 As viscosidades dinâmicas comparam essa grandeza entre ligantes modificados por polímeros ou BMP que podem apresentar comportamento não newtoniano com ligantes tradicionais de comportamento claramente newtoniano. 2.1.5 Ligantes Asfálticos Modificados por Polímeros Durante os últimos trinta anos muitas pesquisas foram realizadas no sentido de produzir revestimentos asfálticos mais flexíveis, menos sujeitos às variações climáticas, mais resistentes à ação do tráfego e, por conseqüência, de maior durabilidade. Visando atender estes requisitos, foram desenvolvidos muitos modificadores, dentre estes, citam-se, principalmente, os diversos tipos de polímeros. Segundo REIS (2002), estes modificadores devem melhorar as propriedades reológicas e físicas dos ligantes asfálticos, apresentar resistência à temperatura de trabalho, facilidade de mistura com o ligante base, disponibilidade no mercado e custo compatível para se configurar em uma alternativa de desempenho, praticidade e economia. Por sua vez, o ligante modificado deve ser fabricado de maneira relativamente simples e manter suas propriedades e estabilidade durante as etapas de armazenamento, aplicação e ao longo de sua vida de serviço. BILLMEYER (1984) relata que os polímeros são produtos de origem orgânica, inorgânica ou sintética, de alto peso molecular, cuja estrutura molecular consiste da ligação por reação química de pequenas unidades chamadas monômeros. Esta reação é denominada polimerização e o tamanho final da molécula oriunda da reação com os polímeros é conhecida como macromolécula. Caso o polímero seja composto de monômeros idênticos, este polímero é classificado como homopolímero e caso seja composto de espécies diferentes de monômeros, é classificado como copolímero. Exemplo de homopolímero é o polietileno (material de sacos plásticos) que é um produto obtido da polimerização de etileno (gás petroquímico). Um exemplo de copolímero é o SBS (estireno-butadieno-estireno) que é um produto da polimerização de estireno e butadieno (material este utilizado na modificação de ligantes asfálticos). Existe uma infinidade de polímeros, cada qual com seu conjunto de características, porém apenas alguns apresentam propriedades desejáveis na modificação de ligantes asfálticos. Os polímeros utilizados nesta aplicação são os que conferem ao produto final (ligante modificado), em maior ou menor grau dependendo do tipo de polímero, as propriedades de recuperação elástica, elevado
34 ponto de amolecimento, melhoria da suscetibilidade térmica, maior adesão e principalmente coesão das misturas asfálticas e melhor resistência ao envelhecimento. Visando ilustrar uma das propriedades mais importantes dos ligantes modificados por polímeros, apresenta-se na Figura 2.13, o ensaio de recuperação elástica. Pode-se observar na amostra à esquerda, que o ligante modificado, recém seccionado na sua porção central, está retornando a sua posição original. A medição desta capacidade de retorno elástico nos permite caracterizar o aumento da recuperação elástica do ligante asfáltico modificado por polímeros ou por borracha moída de pneus. Mas para que estas propriedades sejam atingidas é necessário que o polímero seja compatível com o ligante asfáltico base e este é o ponto fundamental em que reside o segredo de uma modificação do ligante asfáltico de qualidade. Esta compatibilidade é um fator determinante durante o transporte, estocagem e aplicação do produto. A estabilidade a estocagem do ligante modificado deve ser aferida por meio de um ensaio relativamente simples que consiste em manter uma amostra de ligante asfáltico, durante 5 dias sem agitação. A diferença entre o ponto de amolecimento e a recuperação elástica do topo e do fundo da amostra fornece o grau de estabilidade do produto. Dentre os polímeros mais utilizados na modificação de asfaltos citam-se o SBS (estireno- Butadieno-eStireno), EVA (polietileno-vinil-acetato), SBR (estireno-butadieno-rubber) entre outros. Um ligante modificado difere do ligante asfáltico tradicional que lhe deu origem, em termos de suas propriedades físicas e reológicas e em termos da sua composição química. A modificação do ligante só ocorre efetivamente quando a alteração de propriedades é originada numa reação química entre o ligante asfáltico e o agente modificante. Visando elucidar e preencher uma lacuna no conhecimento sobre a modificação dos ligantes asfálticos por meio de polímeros, a Diretoria de Desenvolvimento Tecnológico IPR do DNER implementou por meio da Divisão de Pesquisas e Desenvolvimento DPqD uma pesquisa sobre o tema.
35 Figura 2.13 Ensaio de recuperação elástica. Esta pesquisa estudou vários polímeros, no entanto se concentrou basicamente em polímeros do tipo SBS. Em 1998 foram publicados os principais resultados da pesquisa e em 1999 estes resultados se materializaram em Especificações Gerais, da qual são parte integrante uma coletânea de normas para execução de serviços com ligantes asfálticos modificados por polímeros, tanto a quente como a frio, métodos de ensaios e especificações de materiais. A modificação dos ligantes asfálticos pela adição de polímeros permite que, por meio da adição de pequenas quantidades ao ligante original, possam ser alcançadas algumas características diferenciadas e fundamentais (adaptação do DNER (1998) e ASPHALT ACADEMY (2001)), como por exemplo: Melhoria da suscetibilidade térmica: a consistência do ligante asfáltico modificado tende a permanecer inalterada sob uma larga faixa de temperaturas. Em climas frios, o ligante permanece mais flexível e aumenta a resistência do revestimento à fissuração e ao trincamento. Em climas quentes, o maior ponto de amolecimento e a maior viscosidade do ligante aumentam a resistência à deformação permanente;
36 Resistência maior ao envelhecimento: a maior viscosidade do ligante modificado incrementa a espessura de película sobre o agregado, esta característica protege o revestimento do envelhecimento acelerado; Resistência coesiva: os ligantes modificados possuem maior capacidade de manter os agregados da mistura unidos; Poder de adesão: estes ligantes também aumentam a resistência da película de ligante ao arrancamento da superfície do agregado, principalmente pela ação da água; A maior recuperação elástica do ligante modificado mantém a integridade do revestimento, mesmo quando sujeito a níveis elevados de deformação, ao contrário do comportamento puramente dúctil dos ligantes asfálticos convencionais; e, Revestimentos com características de módulos elásticos dinâmicos que atendam as condições que são submetidos. Uma classificação interessante para os ligantes asfálticos modificados consta do Manual Técnico da ASPHALT ACADEMY (2001), publicação patrocinada pela Southern African Bitumen Association (Sabita) e Division of Roads and Transport Technology, CSIR, e os divide em dois grupos principais: Ligantes asfálticos homogêneos, definidos como uma mistura de polímero e ligante asfáltico que não pode ser detectada a nível microscópico, e portanto considera-se que trata-se de um material único. Como exemplo, na maioria das vezes, pode-se citar os ligantes modificados por polímeros tipo EVA, SBS e SBR; Ligantes asfálticos não homogêneos, definidos como mistura em que existem duas fases distintas. O ligante asfáltico modificado por borracha moída de pneus se enquadra nesta categoria em que a borracha moída é parcialmente dissolvida no ligante asfáltico base. A melhoria na resistência da mistura à deformação permanente em altas temperaturas é alcançada, ou pelo endurecimento do ligante asfáltico (de tal modo que a resposta elástica do ligante é reduzida, com a correspondente redução na deformação permanente), ou pelo aumento da componente elástica do ligante asfáltico e, por meio disso, reduzindo a componente viscosa. Conseqüentemente, o aumento da rigidez do ligante asfáltico também eleva a rigidez dinâmica
37 da mistura asfáltica e, por meio disso, melhora-se a capacidade de distribuição de cargas do material e reduz-se as deformações críticas. Normalmente, os polímeros podem ser divididos em duas categorias: elastômeros e plastômeros. Elastômeros (SBS) têm como característica a alta resposta elástica e, portanto, resistem à deformação permanente por alongamento e recuperação de sua forma inicial. Plastômeros (EVA) formam uma consistente e rígida rede tridimensional para resistir à deformação. O copolímero de etileno e acetato de vinila, EVA, possui uma composição que pode variar de uns pouco por cento de acetato até cerca de 50%. Suas maiores vantagens são a resistência à flexão e estabilidade térmica, aliadas a um custo razoável (LEITE, 1999). Os copolímeros em bloco de estireno e butadieno ou estireno e isopreno, SBS/SIS, possuem as características dos elastômeros termoplásticos que escoam livremente quando aquecidos e apresentam boas propriedades de resistência mecânica e de resiliência quando à temperatura ambiente (LEITE, 1999). Outro polímero utilizado é o SBR, copolímeros aleatórios de estireno e butadieno, obtidos por processo de polimerização em emulsão. O processo de preparação do SBR em emulsão, produz um polímero finamente dividido na forma de um látex, que facilita sua dispersão no ligante asfáltico. Existem também outros tipos de polímeros pouco utilizados como polietileno, etc. Os polímeros normalmente apresentam alto custo. No sentido de baratear a modificação do ligante asfáltico, e conjuntamente eliminar os pneus inservíveis, surgiu o asfalto borracha ou ligante modificado por borracha moída de pneus que apresenta, segundo SPECHT & CERATTI (2003), as seguintes vantagens técnicas e econômicas em relação aos ligantes tradicionais: Permite a redução da espessura da camada asfáltica projetada; Reduz o nível de ruído provocado pelo atrito pneu/pavimento; Possui uma relação custo benefício vantajosa sobre os ligantes asfálticos convencionais, tendo em vista o baixo custo de manutenção ao longo dos anos; Ideal para utilização em restauração sobre pavimentos com níveis de trincamento severos, devido a sua capacidade de retardar a reflexão destas trincas;
38 Possui grande elasticidade, ótima aderência e excelente resistência ao envelhecimento; e, Além das características técnicas superiores em relação aos ligantes tradicionais ainda contempla o lado ecológico ao possibilitar uma destinação adequada aos pneus inservíveis. Outro aspecto importante, segundo HEITZMAN, 1992 (citado por LEITE, 1999), é que a mistura de ligante asfáltico e borracha moída de pneus não consiste de reação química mas de absorção de óleos aromáticos do cimento asfáltico nas cadeias do polímero da borracha. As partículas de borracha são inchadas a altas temperaturas e formam um gel com aumento de viscosidade da ordem de 10. O ligante modificado por borracha moída de pneus tende a tornar-se mais dúctil, mais viscoso e com melhor suscetibilidade térmica. Adicionalmente, segundo SPECHT & CERATTI (2003), são transferidas para o ligante asfáltico algumas características químicas das borrachas vulcanizadas como inibidores de raios ultra violeta e antioxidantes que melhoram muito a resistência ao envelhecimento. Esta, pode ser considerada uma das grandes vantagens em relação aos ligantes asfálticos tradicionais. Uma das principais vantagens do ligante modificado por borracha moída de pneus é que a sua relação temperatura viscosidade não é linear. Ele é mais viscoso que o ligante tradicional, entretanto não perde a ductilidade e quando sujeito a altas temperaturas não reduz tanto a sua consistência quanto os ligantes convencionais, desta maneira, diminui a possibilidade de trincamento a baixas temperaturas bem como a possibilidade de formação de trilhas de roda em temperaturas elevadas (SPECHT & CERATTI, 2003). De acordo com BERTOLLO ET AL (2003), o ligante modificado por borracha moída de pneus por via úmida, dependendo do seu processo de fabricação, pode ser estocável ou não estocável. O sistema não estocável é conhecido como continuous blending e é produzido com equipamento misturador na própria obra e, nesta condição, deve ser aplicado imediatamente devido a sua instabilidade. O sistema estocável, conhecido como terminal blending, é preparado com borracha moída de pneus finíssima (partículas passantes na # 40) e devidamente misturado em um terminal especial, produzindo um ligante estável e relativamente homogêneo, posteriormente transportado para cada obra. Este sistema, quando comparado com o sistema continuous blending, permite uma economia de tempo e de custos já que o ligante asfáltico
39 modificado é produzido e transportado para várias obras ao mesmo tempo, enquanto que no sistema continuous blending cada obra deve possuir um equipamento de fabricação de asfalto borracha. 2.1.6 O Envelhecimento dos Ligantes Asfálticos Modificados por Polímeros Os ligantes asfálticos modificados por polímeros, apesar de possuírem características de desempenho superiores aos ligantes tradicionais, também podem apresentar problemas de envelhecimento durante a sua usinagem e ao longo da sua vida útil. Os testes reológicos empíricos, como penetração e ponto de amolecimento, tanto quanto os mais fundamentais testes de viscosidade, como por exemplo a viscosidade obtida por meio do viscosímetro Saybolt-Furol, parecem capazes de descrever adequadamente as mudanças no comportamento reológico dos ligantes asfálticos tradicionais depois do envelhecimento. A deficiência dos ensaios tradicionais de caracterização dos ligantes asfálticos é que fornecem somente informações a temperaturas específicas e/ou freqüências de carga e são, portanto, incapazes para fornecer um quadro completo do desempenho reológico do ligante asfáltico. Isto não é um problema quando se trata de ligantes asfálticos tradicionais, mas pode ser um fator limitador quando se tratar de ligantes asfálticos modificados por polímeros ou borracha moída de pneus. O Quadro 2.4 apresenta as mudanças nos ensaios reológicos convencionais dos três ligantes asfálticos tradicionais apresentados no Quadro 2.2, modificados por um polímero plastomérico, EVA, após os ensaios de envelhecimento RTFOT e PAV. O índice de envelhecimento mencionado no Quadro 2.4 é a relação entre, por exemplo, a penetração do ligante após o ensaio de envelhecimento e a penetração do ligante asfáltico original. Este índice de envelhecimento também é apresentado em termos de ponto de amolecimento e de viscosidade à 135º C.
40 Quadro 2.4 Mudanças nos testes convencionais após ensaios de envelhecimento para ligantes asfálticos modificados por EVA (AIREY & BROWN, 1998). Ligante Índice de Envelhecimento, Penetração Índice de Envelhecimento, Ponto de Amolecimento Índice de Envelhecimento, Viscosidade à 135º C Asfáltico RTFOT/ Original PAV/ Original RTFOT/ Original PAV/ Original RTFOT/ Original PAV/ Original Rus 3% EVA Rus 5% EVA Rus 7% EVA 0,69 0,73 0,77-0,37 0,26 0,96 1,02 1,04-1,05 1,08 1,32 1,36 1,49-2,38 2,42 Ven 3% EVA Ven 5% EVA Ven 7% EVA 0,68 0,72 0,83-0,40 0,28 1,12 1,06 1,04-1,18 1,18 1,48 1,53 1,47-2,82 3,24 ME 3% EVA ME 5% EVA ME 7% EVA 0,74 0,79 0,84 0,34 0,44 0,49 1,05 1,06 1,03 1,22 1,16 1,10 1,33 1,36 1,41-2,39 2,32 Os dados do Quadro 2.4 mostram a mesma tendência observada nos ligantes asfálticos convencionais (como apresentado no Quadro 2.2) e desse modo, indicam que o efeito do envelhecimento na performance reológica dos ligantes asfálticos, tanto no convencional como no ligante modificado por EVA, é o mesmo. Esta tendência similar indica a diminuição da penetração e o aumento do ponto de amolecimento e da viscosidade dos ligantes asfálticos modificados por polímero EVA. A única exceção é o Índice de Envelhecimento do ponto de amolecimento do ligante asfáltico russo modificado por 3 % de EVA, que apresentou um decréscimo no ponto de amolecimento depois do envelhecimento. Isto sinaliza que o efeito do envelhecimento na performance reológica dos ligantes modificados por polímero pode diferir daquele observado para os ligantes asfálticos convencionais não modificados. Prosseguindo na análise reológica dos ligantes modificados por polímeros, é apresentado o Quadro 2.5, transcrita do mesmo estudo de AIREY & BROWN (1998), que mostra os resultados dos ensaios dos três ligantes asfálticos tradicionais apresentados no Quadro 2.2, agora modificados por um polímero elastomérico, SBS, após os ensaios de envelhecimento RTFOT e PAV.
41 Quadro 2.5 Mudanças nos testes convencionais após ensaios de envelhecimento para ligantes asfálticos modificados por SBS (AIREY & BROWN, 1998). Ligante Índice de Envelhecimento, Penetração Índice de Envelhecimento, Ponto de Amolecimento Índice de Envelhecimento, Viscosidade à 135º C Asfáltico RTFOT/ Original PAV/ Original RTFOT/ Original PAV/ Original RTFOT/ Original PAV/ Original Rus 3% SBS Rus 5% SBS Rus 7% SBS 0,70 0,74 0,80 0,35 0,42 0,50 1,07 0,82 0,95 1,22 0,88 0,85 1,27 1,26 1,18 2,08 1,85 1,79 Ven 3% SBS Ven 5% SBS Ven 7% SBS 0,70 0,76 0,78 0,37 0,44 0,51 1,11 0,87 0,88 1,25 0,94 0,84 1,22 1,22 1,21 1,81 1,90 1,70 Os índices de envelhecimento por penetração e viscosidade mostram a mesma tendência observada nos ligantes asfálticos tradicionais, ou seja, a diminuição da penetração e o aumento da viscosidade. Contudo, o índice de envelhecimento obtido pelo ensaio de ponto de amolecimento indicou um decréscimo depois do envelhecimento em 4 das 6 amostras analisadas. Pode-se observar, portanto, uma alteração na performance reológica dos ligantes modificados por SBS em relação ao padrão observado nos ligantes asfálticos tradicionais. LEITE (1999) ressalta que as propriedades reológicas de alguns ligantes modificados por SBS podem se alterar após o envelhecimento no ensaio RTFOT. A temperatura do ponto de amolecimento é reduzida, a penetração aumenta e ocorre o aumento do ângulo de fase de amostras antes e depois do RTFOT, o que revela perda de elasticidade. Isto se deve à redução de peso molecular e quebra de cadeia nas insaturações presentes no butadieno do copolímero SBS. Em amostras de ligantes modificadas por polímero EVA, ocorreu a diminuição do ângulo de fase de amostras antes e depois do RTFOT, o que revela ganho de elasticidade. Os ligantes asfálticos modificados por EVA, tendem a apresentar um melhor comportamento quanto ao envelhecimento em relação aos ligante modificados por SBS. A razão disto é que no polímero EVA não existem duplas ligações butadiênicas que se oxidam ou se quebram com ar e aquecimento, como no caso do SBS e, portanto, os ligantes modificados por EVA se degradam menos que os ligantes modificados por SBS (LEITE, 1999).
42 2.2 Caracterização das Propriedades Mecânicas e de Fadiga das Misturas Asfálticas O primeiro estudo sistemático da deformabilidade dos pavimentos deve-se a Hveem em 1950 (MEDINA, 1997). Entendia Hveem que o trincamento progressivo dos revestimentos asfálticos se devia à deformação resiliente (elástica) das camadas subjacentes, em especial a do subleito. Hveem preferiu usar o termo resiliente ao invés de deformação elástica sob argumento de que as deformações nos pavimentos são muito maiores do que nos sólidos elásticos, como concreto e aço, por exemplo. O termo resiliência, do inglês resilience, significa energia armazenada num corpo deformado elasticamente, a qual é devolvida quando cessam as tensões causadoras das deformações. Em um pavimento dito flexível, cabe ao revestimento asfáltico, resistir diretamente a repetição das cargas dos diferentes tipos de veículos. O acúmulo dessas solicitações resulta na fadiga inevitável da mistura asfáltica aplicada. Este fenômeno é considerado no dimensionamento de um pavimento através da definição de modelos que relacionam o número de repetições de carga com o estado de tensões aplicado (MOTTA, 1991). O principal objetivo dos ensaios para a caracterização mecânica e à fadiga das misturas asfálticas é a obtenção de parâmetros para aplicação no dimensionamento dito racional do pavimento. Existem três formas de se obterem estes dados de comportamento: Através de pistas experimentais, em verdadeira grandeza, como por exemplo a pista da AASHTO; Através de ensaios de laboratório, em que corpos-de-prova são submetidos a cargas repetidas; e, Através de simuladores de tráfego tipo HVS e simulador DAER/UFRGS. Dentre os ensaios de laboratório para a caracterização mecânica mais utilizados no Brasil podese mencionar a resistência à tração e o módulo de resiliência por compressão diametral. Adicionalmente a curva de fadiga de uma mistura asfáltica pode ser obtida por meio de ensaios dinâmicos que desenvolvem tensões e deformações repetidas. Os ensaios dinâmicos distinguemse quanto ao tipo de esforço empregado, seja por flexão, torção, tração direta e tração indireta, e quanto à geometria das amostras ensaiadas (cilíndrica, retangular, vigota retangular, trapezoidal).
43 Também são distintos quanto à forma do carregamento e aos estados de tensões produzidos na amostra (PREUSSLER, 1983). A Figura 2.14 apresenta os diversos tipos de ensaios de fadiga de misturas asfálticas quanto à geometria das amostras e à forma do carregamento aplicado. Cisalhamento Tração/compressão (com ou sem confinamento) Ensaios de Fadiga Caracterização Sobre Corpos de Prova Tração e/ou Compressão Flexão Alternada Compressão Diametral (tração indireta) Tração direta 4 pontos 2 pontos 3 pontos Simples 2 pontos (trapezoidal) Console Flexão Rotativa Simulação Rodoviária Placa Suportada Viga Escala real (pista experimental da AASHTO) Pista de Teste em laboratório (LCPC Nantes) Retangular Circular Figura 2.14 - Diferentes tipos de ensaios de fadiga de misturas asfálticas (De La ROCHE,1996). O ensaio de tração indireta fornece um estado biaxial de tensões (horizontais de tração e verticais de compressão) que se aproxima bastante bem das condições produzidas na base das camadas de rolamento por uma carga de roda. Apresenta ainda a vantagem da simplicidade da preparação dos corpos-de-prova (que são moldados de acordo com o Método Marshall), enquanto que os corpos-de-prova em formato de viga ou trapezoidais, são obtidos por serragem, o que demanda tempo e equipamentos especiais de corte. Os equipamentos são relativamente baratos e a condução do ensaio é de simples operação e pode utilizar também amostras coletadas no campo (extraídas com sonda rotativa). Todos estes fatores tornam o ensaio de tração indireta um dos mais usuais para a obtenção de curvas de fadiga (PREUSSLER, 1983 & MEDINA, 1997).
44 O ensaio de flexão alternada a cargas repetidas utiliza corpos-de-prova em forma de vigotas, ou paralelepípedos alongados, e seria o ensaio que melhor simularia a condição de campo. Entretanto em comparação com o ensaio por compressão diametral, o equipamento é mais caro e a moldagem dos corpos de prova mais morosa. 2.2.1 Ensaio de Tração Indireta por Compressão Diametral com Cargas Repetidas O ensaio de Compressão Diametral foi desenvolvido pelo professor Fernando Luiz Lobo B. Carneiro e é conhecido como Ensaio Brasileiro no Brasil e no exterior (MEDINA, 1997). Originalmente seu objetivo era determinar a resistência à tração de corpos de prova de concreto de cimento Portland, com carregamento estático. Atualmente vem sendo utilizado tanto para a determinação da resistência à tração como para a determinação do módulo de resiliência de misturas asfálticas e materiais cimentados, sendo que para esta condição, o carregamento é aplicado de forma dinâmica. No ensaio de resistência à tração por compressão diametral, o corpo de prova cilíndrico é posicionado diametralmente em relação à direção da compressão, resultando numa tração, agindo perpendicularmente ao longo do plano diametral que promove a ruptura da amostra nesta direção. Pode ser realizado numa prensa Marshall, sendo o corpo-de-prova apoiado ao longo de duas geratrizes por dois frisos de carga posicionados na parte superior e inferior do corpo-deprova. Este ensaio é normalizado pelo método DNER ME 138/94. A Figura 2.15 ilustra a distribuição de tensões no ensaio a compressão diametral. Como pode-se observar na Figura 2.15, a aplicação de tensão de compressão verticalmente provoca a ruptura do corpo-de-prova ao longo do diâmetro vertical por tração. Calcula-se a tensão de tração horizontal no centro do corpo-de-prova pela equação: σ t = 2 F / π t d eq. 2.1
45 Figura 2.15 Tensões no ensaio de compressão diametral (MEDINA, 1997). onde: σ t Tensão de tração, em kgf/cm 2 ; F Carga aplicada verticalmente, em kgf; t Espessura do corpo-de-prova, em cm; e, d Diâmetro do corpo-de-prova, em cm. Empregando-se os corpos-de-prova moldados pelo método Marshall em laboratório (com diâmetro de aproximadamente 10 cm) ou obtidos através de extração por sonda rotativa de revestimentos já aplicados na pista, tem-se a seguinte equação: σ t = 0,0627 F / t eq. 2.2 sendo F e t já definidos anteriormente. Através do ensaio de compressão diametral é possível se obter o módulo de resiliência de misturas asfálticas. Este procedimento é normalizado pelo DNER - ME 133/94 e pela ASTM D 4123-82/1987, com a seguinte definição:
46 O módulo de resiliência (M R ) de misturas asfálticas é a relação entre a tensão de tração (σ t ) aplicada repetidamente no plano diametral vertical de uma amostra cilíndrica de mistura asfáltica e a deformação específica horizontal recuperável (ε t ) correspondente à tensão aplicada, numa temperatura (T C), para um certo número de aplicações de carga. O cálculo é feito através da seguinte equação: onde: M R = σ t ε t T (º C) eq. 2.3 M R Módulo de resiliência de uma mistura asfáltica; σ t Tensão de tração; ε t Deformação específica horizontal recuperável; e, T (º C) Temperatura. A aplicação da teoria da elasticidade às misturas asfálticas só é admissível em nível de tensões de tração baixas (50% ou menos) em relação à de ruptura e a temperaturas inferiores a 40 C. É comum fazer-se o ensaio à freqüência de 1 Hz (60 ciclos por minuto) e duração de carga de 0,1 s. Na Figura 2.16 é apresentado um detalhe do equipamento para a realização do ensaio de compressão diametral dinâmico. Para o cálculo do módulo de resiliência utiliza-se a equação a seguir, que para corpo-de-prova de 10,1 cm de diâmetro, considera o friso de carga de 1,27 cm de largura: M R = ( F / t ε t ) (0,9976 µ + 0,2692) eq. 2.4
47 Figura 2.16 Equipamento de ensaio de compressão diametral dinâmico (MEDINA, 1997). onde: M R Módulo de resiliência, em kgf/cm 2 ; F carga aplicada, em kgf; t espessura do corpo-de-prova, em cm; ε t - deformação específica horizontal; e, µ coeficiente de Poisson.
48 2.2.2 Ensaio de Fadiga de Misturas Asfálticas O fenômeno da fadiga tem sido descrito como um processo de mudança estrutural permanente, localizada e progressiva que ocorre no material quando este é submetido a condições de carregamento que produzam tensões e deformações repetidas em algum ponto (ou pontos), resultando em trincas ou fratura completa do material após um número suficiente de repetições, e também como um fenômeno de fratura sob tensões repetidas de valor máximo menor do que a resistência à tração do material (PREUSSLER, 1983). A manifestação do efeito da fadiga, nos pavimentos flexíveis, se materializa por meio do surgimento de trincas interligadas conhecidas como couro de jacaré, e a intensificação do fenômeno separa os blocos do revestimento provocando a não transmissão de carga entre eles. O trincamento por fadiga é um dos defeitos mais freqüentes nas rodovias brasileiras e muitas podem ser as causas, segundo BERNUCCI et al (2002): Falta de compactação do subleito e ou das camadas constituintes do pavimento, provocando um enfraquecimento da estrutura como um todo e fissuração precoce do revestimento; Drenagem ineficiente, permitindo queda de resistência nas camadas afetadas pelo aumento de umidade; Incompatibilidade no projeto quanto à natureza e à espessura das camadas, principalmente da camada de revestimento asfáltico em relação as demais, sendo a primeira construída com pequena espessura e alta rigidez, frente à deformabilidade das demais camadas do pavimento decorrentes das solicitações de tráfego, provocando por, conseguinte, elevadas deformações no revestimento asfáltico e, conseqüentemente, levando-o à ruptura; Revestimentos asfálticos executados com teores de ligante abaixo do teor de projeto; Projeto inadequado de dosagem da mistura asfáltica, levando à porcentagem de vazios que permite a entrada de água, mas não suficientemente permeável para facilitar a sua saída, provocando um aumento da pressão neutra na água presa dentro dos vazios, diminuindo a resistência do material; e, Temperatura de usinagem ou de execução do revestimento asfáltico impróprias, entre outros fatores.
49 O ensaio de fadiga visa a obtenção de um número de solicitações que uma determinada carga levaria a mistura asfáltica a uma condição de ruptura. O critério de ruptura da mistura pode ser: Redução da rigidez inicial da mistura asfáltica a um certo nível (por exemplo 50%). Neste caso, a vida de fadiga da mistura é definida em termos de vida de serviço (N s ); Aparecimento da primeira fissura; e, Ruptura total do corpo-de-prova. Neste caso, a vida de fadiga da mistura é definida em termos de vida de fratura (N f ). Dependendo do critério adotado, tem-se a respectiva curva de fadiga. Usualmente tem-se adotado no Brasil, o critério de ruptura total do corpo-de-prova e este é o critério que será empregado nos ensaios deste trabalho de dissertação. Para a obtenção de uma curva de fadiga representativa é recomendável que se realize um certo número de ensaios (que pode variar de 18 a 30). Em um terço dos ensaios, se aplica um elevado carregamento (elevada deformação de tração inicial); no outro terço, aplica-se baixos níveis de deformação; e no terço restante, níveis de deformações intermediários. Os resultados obtidos podem ser expressos pelos seguintes modelos: Diferença de tensões ( N x σ): Neste modelo, a vida de fadiga da mistura asfáltica em laboratório é expressa como uma função da diferença de tensões (calculada, entre a tensão de compressão vertical e a de tração horizontal) na parte central do corpo-de-prova. O modelo tem a seguinte forma: N = k (1 / σ) n eq. 2.5 onde: N Número de solicitações para que ocorra a ruptura do corpo-de-prova; σ Diferença entre a tensão vertical (de compressão) e a tensão horizontal (de tração) que se verifica na parte central do corpo-de-prova; e, k e n Coeficientes experimentais obtidos através de análise de regressão.
50 Deformação de tração inicial (N x εti) : Neste modelo, a vida de fadiga da mistura asfáltica em laboratório é expressa como uma função da deformação específica de tração inicial provocada pelo carregamento imposto ao corpo-de-prova. O modelo tem a seguinte forma: N = k (1 / εt i ) n eq. 2.6 onde: N Número de solicitações para que ocorra a ruptura do corpo-de-prova; εt i Deformação específica de tração inicial, medida no diâmetro do corpo-de-prova, provocada pelo carregamento; e, k e n Coeficientes experimentais obtidos através de análise de regressão. Devido à facilidade de execução, principalmente na moldagem do corpo-de-prova e no sistema de carregamento, a realização dos ensaios de fadiga por compressão diametral são os mais usuais. As cargas solicitantes devem induzir tensões normais horizontais de 10 a 50% da tensão de ruptura estática. Os corpos-de-prova em laboratório são moldados segundo o método Marshall (DNER-ME 43/64), resultando nos já conhecidos cilindros de 63 mm de altura e 101 mm de diâmetro, aproximadamente. No campo, os corpos-de-prova das misturas asfálticas podem ser extraídos através de sondas rotativas. Os ensaios de fadiga podem variar quanto ao modo de solicitação do carregamento. Os carregamentos cíclicos podem ser aplicados sob regime de tensão constante ou controlada e de deformação constante ou controlada. No ensaio de tensão controlada (TC) a carga aplicada é mantida de forma constante e não se altera até a ruptura do corpo de prova, a deformação por sua vez aumenta no decorrer do ensaio. Este tipo de ensaio nos fornece a vida de fratura ou N f. Já no ensaio de deformação controlada (DC), a carga aplicada é variável e é alterada visando manter uma deformação constante ao longo do ensaio. Para manter a constância da deformação, a carga aplicada vai diminuindo ao longo do tempo. Este tipo de ensaio, por sua vez, fornece a vida de serviço ou N s (PINTO, 1991).
51 Segundo Monismith & Deacon (citado por PREUSSLER, 1983), a solicitação à deformação controlada aplica-se de forma melhor a estruturas de pavimento com revestimentos asfálticos fracos em relação ao seu suporte. Neste caso, o revestimento agrega uma pequena rigidez à estrutura do pavimento e ao sofrer a ação da carga aplicada, a deformação desta camada asfáltica é controlada pela deformação das camadas inferiores. A solicitação à tensão controlada é aquela que ocorre em revestimentos asfálticos espessos e/ou muito mais rígidos que a estrutura do pavimento subjacente e, portanto, ao resistirem as cargas aplicadas controlam a magnitude das deformações que podem ocorrer (MEDINA, 1997). O ensaio do tipo Tensão Controlada determina um N menor, ou seja, a solicitação por TC gera a vida mínima de fadiga, enquanto a solicitação do tipo deformação controlada, gera a vida máxima de fadiga. Como no campo o modo de solicitação é intermediário, além de outras aproximações que devem ser feitas em laboratório, é necessário a introdução de um fator campolaboratório para ajustar a vida de fadiga de laboratório de uma mistura asfáltica e a vida útil real do pavimento. Portanto, o comportamento à tensão ou deformação controlada dependerá tanto da espessura e do módulo de rigidez do revestimento, como dos módulos da estrutura subjacente (PINTO, 1991). Na verdade, estes dois tipos de solicitação representam os tipos extremos de carregamento possível no campo, sendo que o que realmente ocorre, é um tipo intermediário de solicitação. Em termos de facilidade de obtenção, e até mesmo pela utilização e operação mais simples do equipamento de carga repetida em nosso País, utiliza-se de forma corrente, ensaios de tração indireta dinâmica por compressão diametral com solicitação à tensão controlada.
52 2.2.3 Fatores que Afetam a Resistência à Fadiga De acordo com MOTTA (1993) e DNER (1998), a vida de fadiga de uma mistura asfáltica depende de muitos e variados fatores, ligados às características do material e do corpo-de-prova, às condições de ensaio e ambientais. Dentre eles citam-se: Fatores de Carga: magnitude de carregamento; tipo de carregamento (tensão ou deformação controlada); freqüência, duração e intervalo de tempo entre aplicações sucessivas do carregamento; história de tensões: carregamento simples ou composto; e, forma do carregamento: triangular, quadrado, etc. Fatores de Mistura: tipo de agregado, forma e textura; granulometria do agregado; penetração do ligante asfáltico; teor de ligante; temperatura da mistura; e, energia de compactação. Fatores Ambientais: temperatura; e, umidade. Outras variáveis: módulo de resiliência ou rigidez; e, índice de vazios. MOTTA (1993) considera que o módulo de resiliência é importante na avaliação da vida de fadiga de uma mistura asfáltica, mas não é só ele que comanda esta vida de fadiga. Módulos de resiliência bem próximos resultam em equações de fadiga bem distintas, quando alguma outra
53 característica é diferente na mistura, como por exemplo a granulometria, o agregado, a origem do ligante asfáltico, etc. A correlação muito forte entre o aumento do valor do módulo de resiliência e o aumento da vida de fadiga, segundo MOTTA (1993), pode ser devido ao fato de que o ensaio utilizado é do tipo tensão controlada e como a maioria das estruturas habituais, trabalha mais próxima a este tipo de solicitação que ao de deformação controlada, tal análise é válida. Tendo-se a curva de fadiga de uma mistura asfáltica e prevendo-se o nível de tensão e deformação a que uma dada estrutura estaria sujeita no campo, pode-se estimar, de maneira aproximada, quantas passagens do eixo padrão o pavimento resistirá e, portanto, qual será sua vida útil em termos de fadiga do revestimento. 2.2.4 Comportamento Mecânico de Misturas Asfálticas A aplicação de ligantes asfálticos tradicionais, não modificados, mais consistentes, de menor penetração ou de maior viscosidade, normalmente levam a um aumento do módulo de resiliência e da resistência a tração por compressão diametral de uma mistura asfáltica. Segundo BERNUCCI et al (2002), os ligantes asfálticos modificados por polímeros, principalmente por SBS e SBR, e por borracha moída de pneu têm mostrado tendência de redução do módulo de resiliência em relação às misturas com ligantes asfálticos convencionais (para a temperatura de 25º C e no caso específico de mistura asfáltica com agregado granítico, de granulometria densa e contínua, compreendida dentro da faixa C da DERSA). Esta redução não indica uma piora de comportamento dessas misturas. A modificação do ligante proporcionada por estes polímeros altera a reologia do ligante asfáltico tornando-o mais elástico e, normalmente, mais resistente à fadiga, apesar do módulo de resiliência da mistura ser mais baixo. Na pesquisa, a mistura elaborada com ligante asfáltico modificado por EVA apresentou módulo de resiliência mais alto que da mistura com ligantes asfálticos tradicionais, e entre eles, como era esperado, o módulo de resiliência da mistura com o ligante mais consistente, no caso com o CAP 40 foi superior ao módulo de resiliência da mistura com CAP 20. Adicionalmente, BERNUCCI et al (2002) relatam que a resistência à tração parece ser menos afetada pela presença do polímero que
54 o módulo de resiliência, já que independentemente do tipo de modificador, as resistências encontradas foram similares. Na pesquisa conduzida pelo DNER (1998), intitulada Pesquisa de Asfaltos Modificados por Polímeros, é apresentado um estudo de comportamento mecânico de misturas asfálticas modificadas por diferentes teores de polímero SBS. Os resultados observados indicaram menores valores de módulos de resiliência para as misturas elaboradas com os ligantes modificados por SBS em relação ao módulo de resiliência da mistura confeccionada com o ligante CAP - 20 tradicional, à 25 C. Segundo VALLERGA et al, 1980 (citados por FAXINA, 2002), os valores de módulo de resiliência de misturas preparadas com ligantes asfálticos modificados por borracha moída de pneus são menores que os obtidos em misturas elaboradas com ligantes asfálticos convencionais, mas apenas para temperaturas menores que 24º C. Para as temperaturas acima deste valor, o módulo de resiliência das misturas com ligantes modificados por borracha é maior que os valores obtidos com misturas fabricadas com ligantes convencionais. LEITE et al, 2000 (citado por FAXINA, 2002), observou uma redução de aproximadamente 50% no valor do módulo de resiliência de misturas empregando ligante asfalto-borracha, em relação à mistura elaborada com ligante convencional (CAP - 20). LEITE (1999) relata que a introdução de polímero no ligante asfáltico melhora a flexibilidade das misturas asfálticas, visualizada com base na redução do módulo de resiliência e no aumento relativo da resistência à tração em relação as misturas preparadas com os ligantes tradicionais. Na análise de misturas asfálticas, apesar da patente importância do ligante asfáltico, outras variáveis também são intervenientes, como por exemplo a natureza, forma e textura dos agregados, sua granulometria, a presença de cal hidratada, a dosagem da mistura em termos de teor de betume e teor de vazios. Até mesmo a forma do empacotamento obtida durante a mistura e compactação pode interferir nos valores de módulo de resiliência e resistência à tração. Portanto, a análise dessas propriedades mecânicas deve ser conduzida com muito critério.
55 2.2.5 Caracterização do Envelhecimento da Mistura Asfáltica BELL & SOSNOVSKE (1994) acreditam que a análise do envelhecimento do ligante asfáltico de forma isolada, sem levar em conta que tipo de agregado que está sendo utilizado para a confecção da mistura asfáltica, não é adequada e nem suficientemente representativa. Uma das maneiras de se caracterizar o envelhecimento da mistura é a observação do módulo de resiliência de misturas asfálticas novas e antigas em serviço. MOTTA (1993) afirma que é possível observar a tendência ao enrijecimento das misturas ao longo do tempo e o envelhecimento do ligante asfáltico através da oxidação que se traduz no aumento do módulo de resiliência. BELL & SOSNOVSKE (1994), em interessante pesquisa, estudaram o envelhecimento de 32 diferentes combinações de quatro tipos de agregados e oito tipos de ligantes asfálticos, usando diferentes métodos de envelhecimento. A pesquisa concluiu que o envelhecimento de misturas asfálticas não pode ser prognosticado por testes somente no ligante asfáltico já que resultados mostraram que os agregados tem considerável influência no envelhecimento. Foram moldados corpos-de-prova das diferentes combinações (por exemplo, com cada agregado foram realizadas misturas com os oito ligantes diferentes) e submetidos a dois ensaios acelerados de envelhecimento em laboratório: LTOA (long term oven aging, onde os corpos-de-prova foram submetidos a uma temperatura de 85º C por cinco dias ou 100ºC por dois dias) e LPO (low pressure oxidation, onde os corpos-de-prova foram submetidos a uma temperatura de 60º C ou 85º C por cinco dias). O efeito do envelhecimento foi avaliado pelo módulo de resiliência, à 25º C, antes e depois do envelhecimento. Concluíram que o envelhecimento das misturas asfálticas é influenciado pelo tipo do agregado e pelo tipo do ligante asfáltico e que testes de envelhecimento do ligante isoladamente não parecem adequados para predizer a performance da mistura, devido ao aparente efeito mitigador que o agregado tem sobre o envelhecimento. O envelhecimento de certos ligantes asfálticos é fortemente diminuído por alguns agregados, mas não por outros. Esta variabilidade parece estar relacionada à força da ligação química
56 (adesão) entre o ligante asfáltico e o agregado. BELL & SOSNOVSKE (1994) constataram que a avaliação da interação ligante-agregado é muito mais influente do que a composição do ligante asfáltico para a adesão e sensibilidade à água. Esta influência parece estar relacionada à interação química do agregado e do ligante asfáltico, a qual pode ser relacionada com a adesão: quanto maior a adesão, mais atenuado é o envelhecimento. Segundo EDLER ET AL, 1985 (citados por BELL, WIEDER & FELLIN, 1994), a utilização da cal hidratada na mistura asfáltica tem um considerável efeito no retardamento do envelhecimento das misturas asfálticas. A cal hidratada é comumente utilizada para reduzir o descolamento do ligante asfáltico da superfície do agregado em condições úmidas e como tal, aumentar a adesão entre o agregado e o ligante. DAINES, 1986 (citado por WHITEOAK, 1990) sugere que a adição de cal hidratada e alguns polímeros pode reduzir a taxa de oxidação do ligante asfáltico in situ. Testes de laboratório realizados por PLANCHER, GREEN & PETERSON, 1976 (citados por WHITEOAK, 1990), mostram que a oxidação do ligante asfáltico é reduzida se uma quantidade de 0,5 % a 1,0 % de cal hidratada for adicionada. WHITEOAK (1990) sugere a hipótese de que a cal hidratada absorveria produtos de oxidação polar que então não participariam das demais reações de oxidação do ligante asfáltico. FONSECA & WITCZAK (1996) apresentaram uma metodologia para predizer o módulo dinâmico de misturas asfálticas envelhecidas durante a sua vida de serviço no campo. O estudo foi baseado em 1429 pontos de análise de módulo dinâmico (complexo) de 149 tipos de misturas asfálticas realizadas com ligantes asfálticos convencionais pesquisados na Universidade de Maryland. O procedimento foi sintetizado em um programa de computador, DYNMAS ( DYNamic Modulus Analysis System), que é usado para verificar os efeitos da densificação da mistura com o tempo, condições ambientais e diferentes espessuras de revestimento sobre a resposta do módulo dinâmico envelhecido. A principal característica deste modelo está ligada ao fato de que a previsão do módulo é uma função da viscosidade do ligante asfáltico. Portanto, o módulo dinâmico de misturas envelhecidas no campo pode ser determinado pela utilização da viscosidade envelhecida (do ligante asfáltico recuperado) e não da viscosidade original do ligante, como dado de entrada dentro do novo modelo.
57 CAPÍTULO 3 - METODOLOGIA E MATERIAIS EMPREGADOS O Capítulo a seguir descreverá a metodologia empregada na pesquisa e a caracterização de todos os insumos utilizados. 3.1 Metodologia Empregada na Pesquisa Para a a realização deste estudo, foi necessário uma série de atividades que serão descritas passo a passo na seqüência. ETAPA 1 - Caracterização dos Materiais Utilizados na Pesquisa Na primeira etapa, foram caracterizados todos os materiais utilizados na fabricação dos ligantes asfálticos estudados, bem como os demais materiais constituintes das dosagens. Nesta fase também foram dosadas as misturas asfálticas. Primeiramente foram caracterizados física e reologicamente os ligantes asfálticos utilizados na pesquisa. Os ligantes são os seguintes: CAP 20 e CAP 40 tradicionais, oriundos da REPAR - Refinaria Presidente Getúlio Vargas localizada em Araucária, Paraná (produzidos em janeiro de 2002); CAP 7, produzido a partir de um CAP 40, doravante denominado de CAP 7 F; três ligantes modificados por polímero SBS, com teores de 3, 4 e 5,5%, doravante denominados de AM SBS 3%, AM SBS 4% e AM SBS 5,5%; ligante modificado por polímero EVA, com teor de 5%, doravante denominado AM EVA 5%; e, dois ligantes modificados por borracha moída de pneus (BMP), por via úmida, com teores de 15 e 20%, doravante denominados de AM BMP 15% e AM BMP 20%. O ligante CAP 7 F e todos os demais ligantes modificados por polímeros foram produzidos a partir do CAP 40, que efetivamente, é o ligante base da pesquisa.
58 Os teores de polímero SBS utilizados são àqueles mais comumente comercializados no mercado nacional. O teor de polímero EVA utilizado na fabricação do ligante foi o mínimo necessário para alcançar uma recuperação elástica interessante e os teores de BMP utilizados na fabricação do ligante modificado são àqueles considerados como mínimo e máximo para se obter uma boa mistura asfáltica. A descrição pormenorizada deste etapa consta do item 3.2 Caracterização dos Materiais Utilizados na Pesquisa. ETAPA 2 - Envelhecimento dos Ligantes Asfálticos em Laboratório Os ligantes asfálticos descritos na primeira etapa foram envelhecidos em laboratório. Os procedimentos adotados para o estudo de envelhecimento foram os seguintes: Através do ensaio de efeito do calor e do ar em película delgada, procedimento ASTM D 1754, também conhecido como ensaio TFOT Thin Film Oven Test; Através do ensaio de efeito de calor e do ar em película delgada rolada, procedimento ASTM D 2872-97, também conhecido como ensaio RTFOT Rolling Thin Film Oven Test; e, Através de corpos de prova de mistura asfáltica moldados através da metodologia Marshall, que foram objeto de extração de ligante asfáltico (método B, procedimento ASTM D 2172) e posterior recuperação deste pelo método de Abson (procedimento AASHTO T 170-93). O objetivo desta última forma de simulação de envelhecimento é verificar o quanto pode aumentar a consistência do ligante asfáltico, durante o procedimento de dosagem das misturas asfálticas segundo o procedimento Marshall. Este envelhecimento deverá influenciar as propriedades mecânicas da mistura, e portanto, é importante quantificar o aumento de consistência que ocorre durante a moldagem dos corpos-de-prova, que a rigor, é a usinagem de laboratório, até para compará-lo com o envelhecimento da fabricação da mistura asfáltica em usina. A utilização do método de Abson é experimental e, apesar da variabilidade inerente ao processo, justifica-se, pois trata-se do único ensaio passível de realização em nosso País, com relativa facilidade, capaz de recuperar o ligante envelhecido.
59 Os ensaios realizados com os ligantes asfálticos após as três formas de envelhecimento foram os seguintes: Perda de massa; Penetração; Ponto de amolecimento; Recuperação elástica; e, Viscosidades dinâmicas à 135, 155 e 175º C. Também foram comparados os resultados obtidos com os valores especificados para ligantes asfálticos segundo as seguintes normas nacionais e internacionais: Especificação para o Cimento Asfáltico de Petróleo Regul. Técnico 01/92 Ver. 02 DNC; Especificação de Material DNER-EM 396/99 Cimento Asfáltico Modificado por Polímero; British Standard 3690/1989 Bitumens for Building and Civil Engineering/Specification for Bitumen for Road Purposes; European Standard EN 12591/1999 Bitumen and Bituminous Binders Specifications for Paving Grade Bitumens; e, Proposta Européia de Especificação de Asfaltos Modificados pren 14.023/2002. ETAPA 3 - Envelhecimento dos Ligantes Asfálticos no Campo Nesta etapa procurou-se estudar o envelhecimento que ocorre durante a industrialização da mistura asfáltica no campo. O estudo foi conduzido com amostras obtidas em duas rodovias e para três ligantes, CAP 20, CAP 40 e AM SBS 3%. A relação dos locais é a seguinte: Os ligantes CAP 20 e CAP 40 foram aplicados na rodovia PR 151, trecho Castro - Ponta Grossa. O CAP 20 está localizado entre as estacas 3350 e 3371 (LD e LE) e o CAP 40 está localizado entre as estacas 3379 e 3429 (LD); e, O ligante AM SBS 3% foi aplicado na rodovia BR 376/PR, trecho Maringá Paranavaí, entre os km 117 + 286 e 117 + 481 (na terceira faixa LE).
60 O envelhecimento dos ligantes asfálticos foi avaliado no campo em três diferentes situações: ligante asfáltico original coletado no tanque de armazenamento, imediatamente antes da usinagem; ligante asfáltico recuperado, após extração de ligante, de massa coletada no caminhão basculante embaixo do misturador da usina; e, ligante asfáltico recuperado, após extração de ligante, a partir de corpos-de-prova retirados da pista após, aproximadamente, 5 meses em serviço. ETAPA 4 - Comportamento Mecânico e à Fadiga das Misturas Asfálticas Nesta etapa, foram caracterizadas as propriedades mecânicas e de fadiga de misturas asfálticas dosadas com os ligantes da pesquisa. Com o agregado granítico escolhido foram elaboradas oito dosagens Marshall (DNER-ME 43/64) com os seguintes ligantes asfálticos: CAP-7 F, CAP 20, CAP 40, AM SBS 4%, AM SBS 5,5%, AM EVA 5%, AM BMP 15% e AM BMP 20%. Visando simplificar o processo, decidiu-se reduzir o estudo a apenas dois ligantes modificados por SBS (4 e 5,5%), os quais acredita-se serem mais representativos da modificação por polímero buscada e assim sendo, a mistura asfáltica com o ligante AM SBS 3% não foi estudada. Definidos os teores ótimos de cada ligante asfáltico segundo a dosagem Marshall, em seguida foram moldados 15 corpos-de-prova neste teor para cada mistura asfáltica objeto do estudo. Os corpos-de-prova foram enviados ao LAPAV Laboratório de Pavimentação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, para execução dos ensaios de caracterização mecânica e à fadiga dessas misturas. Os ensaios realizados foram a determinação da resistência à tração, módulo de resiliência, bem como ensaios de fadiga à tensão controlada, os quais foram realizados segundo as metodologias DNER-ME 133/94 e DNER-ME 138/94, respectivamente. O objetivo será avaliar por meio de dosagens, com o mesmo agregado e mesma faixa granulométrica, o comportamento mecânico e à fadiga, somente variando o tipo de ligante asfáltico, tendo em vista que as demais condicionantes permanecem constantes.
61 Com base nestes ensaios, procurou-se verificar o melhor comportamento dentre as misturas asfálticas analisadas com base na suscetibilidade térmica de cada ligante asfáltico a diferentes temperaturas e também com base na análise das curvas de fadiga. ETAPA 5 Análise Paramétrica A etapa anterior permitiu a obtenção da modelagem por diferença de tensões e por deformação específica inicial para cada mistura asfáltica. Visando verificar o desempenho de cada mistura asfáltica em uma determinada estrutura de pavimento, simulou-se duas estruturas de pavimento típicas do Sul do Brasil com os programas Elsym-5 e Flaps e obtiveram-se os valores de tensão e deformação de tração na fibra inferior do concreto asfáltico para as duas estruturas pelos dois programas computacionais. De posse destes valores e aplicando-os nos modelos de fadiga podese verificar qual mistura asfáltica apresenta maior vida de fadiga para cada estrutura simulada. 3.2 Caracterização dos Materiais Utilizados na Pesquisa Neste item é apresentada a caracterização física e reológica dos ligantes asfálticos pesquisados e a caracterização dos demais insumos utilizados, agregados e cal hidratada. Adicionalmente é apresentada uma abordagem sobre o ensaio de Abson, a influência da adição da cal hidratada nas misturas asfálticas e uma análise estatística dos ensaios realizados. 3.2.1 Processo de Fabricação dos Ligantes Asfálticos Os sete ligantes modificados foram preparados a partir de um mesmo asfalto base, CAP 40, e devidamente compatibilizados com extrato aromático para receberem a modificação. A composição de cada ligante asfáltico é apresentada no Quadro 3.1. Os ligantes asfálticos foram fabricados em moinho coloidal com dentes radiais de laboratório marca HBA, com alto cisalhamento e produção em pequena escala. A vazão do moinho é de aproximadamente 60 litros/hora. O sistema de fabricação é fechado com caldeira de aquecimento de óleo térmico com temperatura de operação de 50 a 250º C. Possui sistema de recirculação e agitação tipo SIGMA e um reator encamisado com estabilização de temperatura de até 200º C.
62 Inicialmente o CAP 40 foi colocado no reator e em seguida foi adicionada a massa de AR 5 (que é o aditivo asfáltico usado como óleo extensor). Os dois produtos foram agitados e circulados até a mistura estar homogênea. Em seguida foi adicionado o polímero ou a BMP a uma vazão constante e iniciou-se a moagem da mistura em moinho coloidal de alto cisalhamento até completa dispersão e mistura dos insumos. Quadro 3.1 Composição em peso dos ligantes asfálticos da pesquisa. Ligante da Pesquisa Composição CAP 7 F 90% CAP 40 + 10% AR 5 CAP - 20 Original da REPAR CAP - 40 Original da REPAR AM SBS 3% 87% CAP 40 + 10% AR 5 + 3% SBS AM SBS 4% 86% CAP 40 + 10% AR 5 + 4% SBS AM SBS 5,5% 84,5% CAP 40 + 10% AR 5 + 5,5% SBS AM EVA 5% 85% CAP 40 + 10% AR 5 + 5% EVA AM BMP 15% 75% CAP 40 + 10% AR 5 + 15% BMP AM BMP 20% 70% CAP 40 + 10% AR 5 + 20% BMP 3.2.2 Descrição dos Modificadores Utilizados Os ligantes asfálticos foram previamente compatibilizados para receberem a modificação por polímeros. Compatibilidade é a preparação do ligante asfáltico base para receber a modificação. Para tanto, é necessário que o ligante asfáltico utilizado como matéria prima tenha uma relação asfaltenos/aromáticos dentro de uma determinada faixa, de modo a assegurar a estabilidade à estocagem do produto final. A compatibilidade pode ser alcançada adicionando-se óleos extensores. A incorporação dos polímeros (inclusive a BMP) ao ligante asfáltico é dependente da compatibilidade entre eles. A compatibilidade entre o ligante asfáltico e os diferentes tipos de polímeros pode ser alcançada por meio da adição de óleo extensor, que é um produto rico em óleos aromáticos. Durante a incorporação de polímeros ao ligante base, ocorre um consumo de óleos aromáticos presentes neste ligante asfáltico e, a redução de porcentagem destes, provoca um aumento da viscosidade do produto final. A adição do óleo extensor pode corrigir a
63 composição química do ligante asfáltico, favorecendo a reação entre o CAP e o polímero, resultando em um ligante asfáltico modificado de melhor qualidade e levando a viscosidade destes ligantes aos níveis aceitáveis para o uso em serviços de pavimentação (FAXINA, 2002). Óleos extensores são normalmente adicionados ao ligante asfáltico, previamente à adição de polímeros ou BMP, para amolecer o ligante base e diminuir a temperatura de rigidez da mistura. O principal propósito da adição de um óleo extensor na fabricação do asfalto borracha é minimizar a absorção das frações mais leves do asfalto pela BMP. O óleo extensor utilizado nesta pesquisa é o aditivo asfáltico AR 5, que é extraído do xisto betuminoso e é produzido pela SIX Petrobrás. Trata-se de uma fração pesada do óleo de xisto, rica em maltenos e com baixo teor de asfaltenos e com ocorrência de até 37% em peso de óleos aromáticos. O Quadro 3.2 apresenta resultados dos ensaios de caracterização do AR 5. Quadro 3.2 Resultados dos ensaios de caracterização do óleo extensor utilizado. Características Método Especificação AR 5 AR 5 (após Mín - Máx original ECA) Teor de água, % NBR - 1,0 Máx 0,22 14236 Densidade 20/4ºC NBR 2460-0,9986 1,0083 Viscosidade Brookfield a 60º C, cst NBR 5847 176-900 457,5 1630 Ponto de Fulgor, º C NBR 1134 218 Mín 232 266 Efeito do calor e do ar, variação de NBR N massa, % 2412 4,0 Máx 1,79 O polímero tipo SBS utilizado é um copolímero em blocos de estireno e butadieno ou estireno e isopreno. São materiais que escoam livremente quando aquecidos. O insumo utilizado foi o Kraton da Shell, em grânulos, denominado KD 1151. O Quadro 3.3 apresenta as principais características deste polímero.
64 Quadro 3.3 Características do polímero SBS utilizado na pesquisa. Análise Método Especificação Resultado Cinzas (% m/m) ISSO 247 B 0,5 Máximo 0,33 Viscosidade Brookfield, - 3,0 5,0 4,65 (Pa.s), 25 C, sol 25 % Voláteis, (% m/m) SMS 2404 0,30 Máximo 0,06 Antioxidantes (% m/m) PMS 1100 0,14 Mínimo 0,14 Extraíveis (% m/m) SMS 2401 1,00 Máximo 0,30 A borracha moída de pneu utilizada foi fornecida pela empresa Ecija de Jacinto Alcazar Padilla. A granulometria do material utilizado é apresentada no Quadro 3.4. Quadro 3.4 Distribuição granulométrica da borracha moída de pneu. Peneira Tamanho da partícula, micron % retida % passante acumulada 30 590 0,10 99,9 35 500 2,60 97,3 50 300 37,50 59,8 60 250 17,60 42,2 80 180 19,30 22,9 100 150 7,90 15,0 FUNDO 15,00 A composição aproximada da BMP utilizada é apresentada no Quadro 3.5. Quadro 3.5 Composição química da BMP. Composto Participação em % Variação possível em % Acetona 10 +/- 4 Teor de cinzas 18 +/- 4 Negro de fumo 26 +/- 4 Teor de borracha 46 +/- 4
65 O polímero EVA utilizado foi um copolímero de etileno-acetato de vinila, denominado Evateno HM 728, produzido pela Politeno. Trata-se de uma resina semi-amorfa com alto teor de acetato de vinila e médio peso molecular. As principais propriedades físicas são apresentadas no Quadro 3.6. Quadro 3.6 Características do polímero EVA utilizado na pesquisa. Propriedade Física Método ASTM Valor Típico Unidade Teor de acetato de vinila Método Politeno 28,0 % Densidade ASTM D 792 0,95 g/cm 3 Ponto de amolecimento ASTM D 3236 135 º C Ponto de fusão Calorímetro de varredura diferencial 77 º C 3.2.3 Ligantes Asfálticos Utilizados na Pesquisa As principais características físicas e reológicas dos ligantes asfálticos fabricados e utilizados na pesquisa são apresentados no Quadro 3.7. Algumas características, tais como penetração, ponto de amolecimento e viscosidade dos ligantes modificados por SBS apresentadas no Quadro 3.7, não se enquadram na Especificação DNIT- EM 396/99 Cimento Asfáltico Modificado por Polímero. A Especificação mencionada caracteriza basicamente um ligante modificado por SBS com pelo menos 5% de teor deste polímero. Nesta pesquisa, trabalhou-se com 3 teores de polímero, sendo dois destes inferiores ao 5% de SBS citado, o que por si só já não permitiria o enquadramento dos ligantes com 3 e 4% de SBS na dita Especificação. Adicionalmente, todos os ligantes asfálticos foram fabricados a partir de um mesmo asfalto e de um mesmo óleo aromático base, alterando-se apenas a quantidade do agente modificador. Para que se pudesse enquadrar todas as características físicas e reológicas com base na Especificação DNER-EM 396/99, ter-se-ia que, forçosamente, alterar as quantidades de ligante e óleo aromático, que são a base da pesquisa.
66 Quadro 3.7 Características físicas e reológicas dos ligantes asfálticos da pesquisa. Norma CAP CAP CAP SBS SBS SBS EVA BMP BMP Ensaio 7 F 20 40 3% 4% 5,5% 5% 15% 20% Penetração (100g, 5s, 25 C), 0,1 mm Ponto de Amolecimento, C Ductilidade (25 C, 5 cm/min), cm Densidade Relativa 20/4 C Ponto de Fulgor, C Índice de Suscetib. Térmica Viscosidade Saybolt Furol, 135ºC, SSF Viscosidade Saybolt Furol, 177ºC, SSF Viscosidade Brookfield,135ºC, cp Viscosidade Brookfield,155ºC, cp Viscosidade Brookfield,175ºC, cp Recup.Elástica (20cm,25ºC,5cm/min),% ASTM D 5 98 57 35 45 38 38 55 40 40 MB 164 44 50 54 53 59 61 53 53 62 ASTM D 113 >100 >100 >100 >100 >100 >100 >100 86 30 ASTM D 1298 1,0011 1,0030 1,0040 1,015 1,0195 1,025 1,015 1,028 1,0375 ASTM D 92 288 >300 >300 290 285 290 288 280 280 Pfeiffer- Doormaal - 1,2-0,9-1,0 - - - - - - MB 517 141 228 294 - - - - - - MB 517 30 45 54 - - - - - - ASTM D 4402 221 316 411 650 1000 1130 1000 960 - ASTM D 4402 97 127 158 251 409 450 422 392 2300 ASTM D 4402 50 57 69 117 216 231 195 191 850 DNER 382/99 9 6 4 61 81 88 40 35 55 Estabilidade ao armazenamento (500 ml em estufa a 163 C durante 5 dias) Ponto de Amolecimento, MB 164 - - - 1 1 1 4 4 5 topo e fundo, º C Recup.Elástica DNER - - - 60 81 88 39 31 55 (20cm,25ºC,5cm/min),% 382/99 Ao fim do Quadro 3.7, são apresentados os resultados dos ensaios realizados de estabilidade ao armazenamento de ligante asfáltico modificado por polímero (DNER-ME 384/99). Este ensaio consiste em verificar a estabilidade ao armazenamento destes ligantes asfálticos. O método de ensaio preconiza a observação da diferença entre os pontos de amolecimento de amostras
67 coletadas no topo e fundo de um recipiente. Adicionalmente, com intuito de pesquisa, obteve-se também a recuperação elástica do ligante asfáltico coletado no topo e fundo, após 5 dias. 3.2.4 Caracterização dos Agregados e da Cal Hidratada O agregado utilizado é granítico de cor rosa da Pedreira Cartepas localizada em Carambeí, Estado do Paraná. O agregado apresenta um desgaste no ensaio de abrasão Los Angeles (conforme método de ensaio DNER ME 035/94) de 32,14%. O ensaio de Adesividade a Ligantes Betuminosos (conforme método de ensaio DNER ME 078/94) apresentou adesividade satisfatória, baseada no não deslocamento da película betuminosa, com aplicação de aditivo melhorador de adesividade no teor de 0,3% em relação ao peso do ligante asfáltico. Os ensaios acima foram realizados no Laboratório de Mecânica dos Solos e Pavimentação da Universidade Estadual de Ponta Grossa. O ensaio de Índice de Forma, determinado pelo método do paquímetro, consoante a NBR 7809 da ABNT, baseado nos valores da relação c/e (onde c é maior dimensão e e é a menor dimensão possível de um grão de agregado) é igual a 0,6 e caracterizou a forma do agregado como cúbica. O equivalente de areia médio foi de 76%. A massa específica real média do agregado graúdo (fração passante na # 1 e retida na # 4) é de 2,654 g/cm 3, a massa específica aparente média do agregado graúdo é de 2,594 g/cm 3, e a massa específica real média do agregado miúdo (fração passante na # 4 e retida na # 200) é de 2,614 g/cm 3. A absorção do agregado é de 0,87%. A cal utilizada foi do tipo hidratada CH-1, dolomítica, fornecida pela empresa SJB Indústria de Cal Ltda, marca Cal Forte, produzida no município de Rio Branco/PR. O Quadro 3.8 apresenta o resultado dos ensaios químicos da cal hidratada e o Quadro 3.9 apresenta a granulometria da cal hidratada utilizada.
68 Quadro 3.8 Ensaios químicos da cal utilizada na pesquisa. Ensaios Químicos Valor Óxidos Totais (Cao + MgO) 96,9 % Óxido de cálcio 43,8 % Óxido de magnésio 28 % Perda ao Fogo 25,9 % Resíduo Insolúvel em HCL 1,2 % Óxidos totais não hidratados 7,3% Quadro 3.9 Granulometria da cal hidratada utilizada na pesquisa. Artigo I. Peneira Retido Passante # 50 0,0 % 100,0 % # 80 0,4 % 99,6 % # 200 8,0 % 92,0 % No item 3.2.7, serão apresentados resultados de ensaios sobre a influência da cal hidratada na consistência dos ligantes asfálticos recuperados através do Método de Abson. Este item foi incluído na pesquisa porque, tanto no envelhecimento de corpos-de-prova Marshall de laboratório como no envelhecimento de mistura asfáltica usinada no campo, foi utilizada a cal hidratada como elemento melhorador de adesividade. 3.2.5 Ensaio de ABSON A recuperação do ligante asfáltico extraído dos corpos-de-prova Marshall é possível através do Método de Abson, procedimento AASHTO T 170-93 e ASTM D 1856-95. O ligante asfáltico é recuperado com propriedades similares àquelas encontradas nas misturas asfálticas e em quantidade suficiente para ensaios posteriores. Sua utilização se justifica, pois é um ensaio de relativa facilidade de execução em nosso País para a recuperação de ligante envelhecido. O ligante asfáltico extraído com tricloroetileno, por exemplo, é recuperado por este método que, combina aquecimento controlado e adição de CO 2 que facilita o arraste do solvente até o fim do processo em que todo o solvente seja retirado da amostra, restando apenas o ligante asfáltico que se deseja amostrar.
69 Após a moldagem dos corpos-de-prova de laboratório, ou após a retirada dos corpos de prova da pista, estes são deixados a temperatura ambiente para eventual resfriamento. Posteriormente, os corpos-de-prova são colocados em uma bandeja e seguem para estufa de aquecimento por um período de 3 horas, à temperatura de 135 C, até que toda a massa possa ser homogeneizada e transferida para os filtros do extrator de ligante asfáltico. Realizada a extração do ligante, a massa de asfalto mais tricloroetileno é submetida ao método de Abson. Neste ensaio, a amostra recuperada com o solvente é aquecida e simultaneamente é injetado CO 2 a uma vazão controlada para auxiliar o arraste do solvente. Este procedimento deve ter uma observância das temperaturas, vazões de CO 2 e períodos de tempo estipulados no método de ensaio. Ao final do procedimento, restará apenas o ligante asfáltico recuperado que então poderá ser analisado. A Figura 3.1 mostra o equipamento utilizado para o ensaio pelo método de Abson. Figura 3.1 Vista geral do equipamento para o método de Abson. Apenas para efeito desta pesquisa, analisou-se o efeito do processo de aquecimento e adição de CO 2 proporcionado pelo método de Abson, em uma amostra de CAP 20, sem solvente. O objetivo foi de verificar a influência do processo na consistência do ligante asfáltico sem
70 solvente, ou seja, uma simulação de envelhecimento eventualmente provocado pelo CO 2. O Quadro 3.10 apresenta os resultados desta análise. Quadro 3.10 Influência do CO 2 injetado no ensaio de Abson na consistência do ligante asfáltico. Análise efetuada CAP 20 original CAP 20 após Abson Penetração (25º C, 5 s, 100 g) 0,1 mm 50 48 Ponto de Amolecimento, º C 46 46 Viscosidade Brookfield a 135º C, cp 360 365 Viscosidade Brookfield a 155º C, cp 146 148 Viscosidade Brookfield a 175º C, cp 67 69 Observa-se, com base no Quadro 3.10, que o efeito de um provável aumento de consistência proporcionado pela adição de CO 2 durante a simulação realizada foi praticamente desprezível. Apesar de alguma polêmica quanto a sua efetividade o ensaio de Abson, criteriosamente realizado, é um instrumento auxiliar importante para a compreensão do processo de envelhecimento. O ligante recuperado pode ter suas propriedades físicas e reológicas aferidas com razoável aproximação, apesar da variabilidade inerente ao processo de extração, fornecendo um indicativo das características de comportamento do ligante envelhecido em termos relativos para comparação com as características do ligante original virgem. 3.2.6 Influência da Cal Hidratada nas Propriedades Reológicas do Ligante Asfáltico Recuperado A influência da cal hidratada quando adicionada a uma mistura asfáltica é conhecida como um poderoso agente melhorador de adesividade, em se falando de um filler ativo como a cal. Por outro lado, ocorre a formação de um mástique extremamente viscoso entre a cal e o ligante que pode alterar a reologia do ligante asfáltico. Preocupado com estas afirmações, e também com o possível efeito que a adição de cal possa causar em termos de alteração do comportamento mecânico e à fadiga da mistura asfáltica, procedeu-se a uma análise do efeito da adição da cal na mistura asfáltica.
71 Para tanto, escolheu-se uma amostra de CAP 20 específica, no caso um CAP - 20 da REPAR coletado em janeiro de 2003. A seguir, com o agregado granítico base da pesquisa e com este ligante asfáltico, moldaram-se 3 grupos de corpos-de-prova: sem cal, com 2% de cal e com 4% de cal. Estes corpos-de-prova, posteriormente, tiveram seu ligante extraído e recuperado pelo método de Abson. O objetivo deste procedimento foi verificar a influência da cal hidratada no aumento de consistência do ligante asfáltico recuperado de corpos-de-prova Marshall de laboratório. O Quadro 3.11 apresenta os resultados do procedimento realizado. Quadruo 3.11 Influência da cal hidratada na consistência do ligante asfáltico recuperado. Análise CAP 20 Penetração (25 o C, 5s,100g), 0,1 mm Ponto de Amolecimento, o C Viscosidade Brookfield (ASTM D 4402) Corpo de prova moldado sem cal Corpo de prova moldado com 2% de cal Corpo de prova moldado com 4% de cal 53 33 32 25 50 55 55 59 Após ECA Perda de massa: 0,40% A 135 O C, cp 364 623 640 667 882 A 155 o C, cp 144 229 234 247 316 A 175 o C, cp 70 103 104 112 137 Segundo os resultados do Quadro 3.11, o aumento de consistência, demonstrado pela diminuição da penetração e aumento do ponto de amolecimento e da viscosidade, é muito claro quando se compara os resultados entre os corpos-de-prova com 2 e 4% de cal hidratada. Com 4% de cal hidratada, o efeito do aumento da consistência é grande. Na comparação do efeito da cal hidratada na consistência entre os corpos-de-prova sem cal e com 2% de cal hidratada, o efeito do aumento de consistência é pouco significativo e estaria dentro da faixa de acurácia dos próprios ensaios, podendo ser considerado desprezível. Pode-se concluir, portanto que, para teores de cal hidratada de até 2% em uma mistura asfáltica e para o tipo de agregado granítico empregado na pesquisa, a presença de cal não têm efeito significativo em termos de aumento de consistência do ligante asfáltico recuperado. A partir
72 desta porcentagem, o efeito da cal hidratada torna-se importante, aumentando de forma significativa a consistência do ligante asfáltico recuperado. 3.2.7 Avaliação da Repetibilidade dos Ensaios Realizados Dado ao grande número de amostras e tipos de ensaios e variáveis analisados nesta pesquisa, houve a necessidade de limitação do número de ensaios a serem realizados para a caracterização destas variáveis. Apresenta-se a seguir, a análise estatística de duas séries de ensaios completos realizados com dois ligantes: um ligante asfáltico tradicional CAP 20 e um ligante modificado de alta viscosidade, no caso um ligante modificado por 15% de borracha moída de pneus (AM BMP 15%). Os ligantes asfálticos foram coletados em agosto de 2003 e são diferentes dos ligantes da pesquisa, servindo, portanto, apenas como referência estatística (*). Os dois ligantes asfálticos foram ensaiados 6 vezes cada um, nos seguintes testes: penetração, ponto de amolecimento, recuperação elástica e viscosidade dinâmica à 135, 155 e 175º C. Os tipos de ensaios realizados são os mais importantes e mais utilizados no escopo da pesquisa. O Quadro 3.12 apresenta os resultados obtidos para o ligante CAP 20 e o Quadro 3.13, para o ligante AM BMP 15%, enquanto que o Quadro 3.14, apresenta a média aritmética, desvio padrão e o coeficiente de variação da análise estatística realizada. (*) Houve problemas com o CAP original armazenado, não sendo possível a sua utilização posterior.
73 Quadro 3.12 - Resultados dos ensaios para estatística do ligante asfáltico CAP 20. Ensaio Norma 1 2 3 4 5 6 Viscosidade Brookfield à 135 C, (cp) ASTM D 4402 354 340 349 348 355 344 Viscosidade Brookfield à 155 C, (cp) Viscosidade Brookfield à 175 C, (cp) ASTM D 4402 140 137 140 140 140 138 ASTM D 4402 67 66 67 67 67 67 Penetração, (0,1 mm) ASTM D 5 55 57 57 58 59 58 Ponto de Amolecimento, ( C) ASTM D 36 48 47 47 47 47 47 Recuperação Elástica, (%) DNER ME 382 / 99 3 5 3,5 4,0 3,5 3,5 Quadro 3.13 - Resultados dos ensaios para estatística do ligante asfáltico AM BMP 15%. Ensaio Norma 1 2 3 4 5 6 Viscosidade Brookfield à 135 C, (cp) ASTM D 4402 3480 3770 3930 4190 3870 4020 Viscosidade Brookfield à 155 C, (cp) Viscosidade Brookfield à 175 C, (cp) ASTM D 4402 1272 1395 1660 1820 1530 1490 ASTM D 4402 752 577 739 752 682 723 Penetração, (0,1 mm) ASTM D 5 39 41 41 40 40 40 Ponto de Amolecimento, ( C) ASTM D 36 60 62 60 58 61 60 Recuperação Elástica, (%) DNER ME 382 / 99 70 72 65 66 64 66
74 Quadro 3.14 Coeficiente de variação dos resultados dos ensaios para os dois ligantes asfálticos. CAP 20 AM BMP 15% Coefic. de Coefic. de Ensaio Desvio Desvio Média Variação, Média Variação, Padrão Padrão (%) (%) Viscosidade à 135º C, (cp) 348,3 5,8 1,7 3876,7 241 6,2 Viscosidade à 155º C, (cp) 139,2 1,3 0,9 1527,8 193,6 12,7 Viscosidade à 175º C, (cp) 66,8 0,4 0,6 704,2 67,5 9,6 Penetração, (0,1 mm) 57,3 1,4 2,4 40,2 0,7 1,7 Ponto do Amolecimento, (º C) 47,2 0,4 0,8 60,2 1,3 2,2 Recuperação Elástica, (%) 3,7 0,7 18,9 67,2 3,1 4,6 Pela observação do Quadro 3.14, pode-se concluir que o coeficiente de variação encontrado nos ensaios realizados com o ligante asfáltico mais viscoso é superior ao do ligante asfáltico tradicional ensaiado. Isto sugere que quanto maior a viscosidade do ligante asfáltico, maior é a variação dos resultados. Quanto aos ensaios de penetração e ponto de amolecimento, os coeficientes de variação se situaram em uma faixa muito próxima. Já quanto à recuperação elástica, onde foi encontrado o maior valor de coeficiente de variação, no caso do ligante CAP 20, conclui-se que, dada a dificuldade de executar este ensaio (no caso de ligantes asfálticos tradicionais que normalmente apresentam valores baixos de recuperação elástica) e diante da determinação de valores tão baixos desta grandeza, pode ser considerado normal uma variação desta ordem. Portanto, excetuando-se os resultados de recuperação elástica do ligante CAP 20, pode-se afirmar que o coeficiente de variação de cada ensaio executado é baixo, compatível com o que se observa em outras determinações de laboratório.
75 CAPÍTULO 4 - APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS SOBRE ENVELHECIMENTO Este capítulo apresenta os resultados dos ensaios realizados com os ligantes asfálticos relativos ao envelhecimento no laboratório e no campo e também os resultados da dosagem Marshall das misturas asfálticas. 4.1 Dosagem das Misturas Asfálticas pelo Método Marshall Com os materiais descritos no Capítulo 3 foram dosadas oito misturas asfálticas. Para isso, foi escolhido um agregado granítico da região de Castro no Paraná e assim foram realizadas dosagens Marshall com este agregado e os oito ligantes asfálticos escolhidos. A faixa granulométrica utilizada foi a faixa III da Especificação de Serviço do DER/PR ES-P 21/91. Esta faixa é muito utilizada no Estado do Paraná e têm origem na faixa IV-b do Instituto de Asfalto. A composição básica dos agregados é a seguinte: 30% de agregados entre as # ¾ e 3/8 ; 13% de agregados entre as # 3/8 e 4; 55% de agregados entre a # 4 ao fundo; e, 2% de Cal hidratada CH 1. No Quadro 4.1 é apresentada a granulometria individual dos materiais, a mistura resultante e os limites da especificação utilizada. A Figura 4.1 apresenta, de forma gráfica, a granulometria individual dos componentes das misturas asfálticas. Na Figura 4.2, por sua vez, observa-se a granulometria da mistura de agregados, dentro da faixa granulométrica especificada.
76 Quadro 4.1 Granulometria dos agregados. Peneiras Brita ¾ Pedrisco Pó de pedra Cal hidratada Mistura Especificação Pol Mm 30% 13% 55% 2% 100% L.Inf. L.Sup. ¾ 19,10 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 ½ 12,70 83,2 100,0 100,0 100,0 95,0 80,0 100,0 3/8 9,52 56,0 100,0 100,0 100,0 86,8 70,0 90,0 4 4,76 3,3 19,0 95,3 100,0 57,9 50,0 70,0 10 2,00 1,5 3,8 73,0 100,0 43,1 33,0 48,0 40 0,42 0,9 1,1 35,2 100,0 21,8 15,0 25,0 80 0,18 0,5 0,6 17,5 96,0 11,8 8,0 17,0 200 0,075 0,4 0,2 9,2 92,0 7,0 4,0 10,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 Peneiras ( mm ) Brita 3/4 Pedrisco Pó de Pedra Cal Hidratada Figura 4.1 Granulometria individual dos agregados componentes das misturas asfálticas.
77 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 Peneiras ( mm ) Mistura Limite Inferior Limite Superior Figura 4.2 Granulometria da mistura de agregados. Com a faixa granulométrica apresentada, dosaram-se 8 misturas através da Dosagem Marshall. O Quadro 4.2 apresenta as temperaturas dos agregados e dos ligantes asfálticos utilizadas para a moldagem dos corpos-de-prova e a temperatura controlada para a compactação das misturas asfálticas. Quadro 4.2 Temperaturas utilizadas na moldagem dos corpos-de-prova. Temperatura, º C CAP 7 F CAP 20 e CAP 40 AM SBS e AM EVA AM BMP Agregados 163 168 175 175 Ligante 153 158 165 170 Compactação 142 147 155 160 O critério utilizado para a determinação do teor ótimo de ligante, foi a média aritmética, entre o teor de ligante encontrado para um volume de vazios de 4% e o teor de ligante correspondente a um valor da relação betume-vazios de 78,5%. O teor ótimo de ligante asfáltico, baseado no critério descrito acima, foi determinado por interpolação para todos os ligantes. Apenas o ligante asfáltico AM BMP 20% teve seu teor ótimo de ligante obtido por extrapolação. O Quadro 4.3 indica as características da dosagem Marshall obtidas para as misturas asfálticas.
78 Características Quadro 4.3 Características Marshall das misturas asfálticas. CAP 7 F CAP 20 CAP 40 AM SBS 4% AM SBS 5,5% AM EVA 5% AM BMP 15% AM BMP 20% Teor de Ligante, (%) 5,3 5,2 5,4 5,5 5,9 5,6 5,6 7,6 M.E.A. - Massa Específica Aparente, (g/cm 3 ) 2,323 2,324 2,317 2,317 2,305 2,316 2,318 2,269 M.E.A.T. - Massa Específica Aparente Teórica, (g/cm 3 ) 2,413 2,416 2,409 2,409 2,398 2,405 2,408 2,346 Teor de vazios, (%) 3,68 3,73 3,75 3,77 3,86 3,70 3,77 3,44 Relação betume vazios, (%) 76,40 76,06 76,48 76,58 76,89 76,95 76,55 81,58 Vazio agregado mineral, (%) 15,59 15,48 15,93 16,00 16,75 16,06 15,98 21,90 Fluência, (mm) 1,77 2,15 1,96 1,90 2,72 3,15 2,70 3,88 Estabilidade, (kgf) 1.631 1.714 1.794 1.510 1.514 1.547 1.655 1.450 Salienta-se, como pode-se observar do Quadro 4.3, que os teores de ligante aumentam quanto mais viscoso ou consistente é o ligante asfáltico utilizado. Exceção é feita ao CAP - 7 F que apresentou um teor de ligante maior até que o do ligante CAP 20. A explicação para isto talvez se prenda ao fato que este ligante asfáltico, CAP 7 F, não é um ligante de constituição pura de petróleo e sim um ligante asfáltico preparado a partir de um CAP 40 com adição de AR 5. SANTANA & GONTIJO (1984) relatam que o teor ótimo de ligante asfáltico de uma mistura asfáltica cresce com o aumento de consistência deste ligante, isto é, consegue-se colocar mais ligante em uma mistura se este for mais consistente.
79 4.2 Concentração Crítica do Sistema Finos-Betume De acordo com RUIZ (1947) e PEREIRA (1997), o aumento gradativo da concentração de finos em uma mistura asfáltica resultará em uma condição-limite, na qual estas partículas ou sua envoltória, tangenciar-se-ão, dando lugar a uma verdadeira estrutura, impedindo o comportamento elasto-visco-plástico do ligante asfáltico. Nesta condição, o sistema finosbetume não mais fluirá viscosamente, uma vez que o excesso de partículas finas misturadas ao ligante asfáltico, estarão impedidas de deslizar livremente no sentido do movimento, passando a transmitir diretamente de partícula a partícula a deformação aplicada. Este excesso de finos resultará em uma mistura asfáltica mais rígida e, conseqüentemente, frágil, com a diminuição de sua resistência à fadiga sob a ação das cargas de tráfego repetidas e, também, a redução da sua capacidade de assimilação das tensões de tração geradas pela queda da temperatura ambiente. Diante do exposto, é prudente, na dosagem de um concreto asfáltico, controlar a concentração dos finos ativos no sistema finos-betume, mantendo-a abaixo daquela considerada como crítica. Existe uma certa dificuldade em se quantificar esta concentração crítica. No entanto, RUIZ (1947) determinou uma estimativa denominada de concentração crítica do sistema finos-betume. Este procedimento determina a concentração crítica, c s, em função da massa específica real dos finos (material passando na peneira de malha 200, em g/cm 3 ) utilizado na mistura asfáltica analisada. Simultaneamente, é calculada a concentração de finos no sistema de finos-betume do concreto asfáltico considerado, denominada c. Calculadas as duas concentrações; a crítica, c s, em função das características do material fino e a considerada, c, em função das características do mástique formado na mistura asfáltica analisada, teremos a seguinte desigualdade a ser satisfeita: c < 0,9 c s
80 A mistura de agregados graníticos empregada na pesquisa apresenta 7% de material passante na peneira 200 e sua densidade real é igual a 2,604. O Quadro 4.4 apresenta um panorama da concentração do sistema finos-betume de cada mistura asfáltica e a condição de satisfação da desigualdade proposta. Quadro 4.4 Concentração crítica do sistema finos-betume. Ligante c s % de ligante c 0,9 c s Condição CAP 7 F 0,46 5,3 0,32 0,41 Satisfatória CAP 20 0,46 5,2 0,33 0,41 Satisfatória CAP 40 0,46 5,4 0,32 0,41 Satisfatória AM SBS 4% 0,46 5,5 0,32 0,41 Satisfatória AM SBS 5,5% 0,46 5,9 0,30 0,41 Satisfatória AM EVA 5% 0,46 5,6 0,31 0,41 Satisfatória AM BMP 15% 0,46 5,6 0,32 0,41 Satisfatória AM BMP 20% 0,46 7,6 0,25 0,41 Satisfatória Conclui-se, portanto, com base na observação do Quadro 4.4 que a concentração do sistema finos-betume das oito misturas asfálticas consideradas está abaixo do valor limite estabelecido e considerado seguro, ou seja, abaixo de 90% da concentração crítica. Diante da análise apresentada, pode-se presumir que a concentração de finos encontrada nas misturas asfálticas consideradas não deverá induzir a um enrijecimento excessivo que possa comprometer as suas vidas de fadiga.
81 4.3 Envelhecimento dos Ligantes Asfálticos em Laboratório Todos os ligantes da pesquisa, listados na Tabela 3.7, foram avaliados quanto ao envelhecimento por meio dos ensaios ECA (TFOT) e RTFOT e também por meio da recuperação de amostras de ligante asfáltico extraído de corpos-de-prova Marshall moldados em laboratório. O objetivo desta última forma de simulação de envelhecimento foi verificar o quanto pode aumentar a consistência do ligante asfáltico durante o procedimento normal de dosagem das misturas asfálticas segundo o procedimento Marshall, que representa a usinagem em laboratório. Após o envelhecimento dos ligantes asfálticos em laboratório, passou-se à realização dos ensaios com o resíduo asfáltico obtido. Os ensaios realizados foram: perda de massa, penetração, ponto de amolecimento, recuperação elástica e viscosidades dinâmicas a 135, 155 e 175 C. 4.3.1 Resultados do Ensaio de Perda de Massa Os resultados obtidos nas análises de perda de massa, após o ensaio ECA e RTFOT, são apresentados na Figura 4.3. Pode-se observar, na Figura, que as perdas de massa nos ligantes asfálticos originais, CAP - 20 e CAP - 40, são as menores em porcentagem. Os demais ligantes modificados por polímeros tiveram elevadas perdas de massa muito provavelmente devido à existência em sua formulação de aromáticos, no caso agente rejuvenescedor, utilizado para permitir a compatibilidade entre o asfalto cru e cada tipo de polímero. Esta perda de massa superior dos ligantes fluxados indica uma maior volatilização deste componente durante os ensaios, em comparação com os ligantes asfálticos originais não fluxados. Esta perda de massa dos ligantes modificados é compensada, em termos de seu comportamento, pela presença de polímeros que melhorarão outras características do ligante asfáltico. O CAP 7 - F que também recebeu aromáticos na sua fabricação para ser ajustado fisicamente como um ligante asfáltico mais leve, por não possuir polímeros na sua constituição e muito provavelmente também devido a menor manipulação na sua fabricação, já que o tempo e a temperatura de produção podem alterar algumas características do ligante final, apresentou as maiores perdas de massa.
82 1,4 1,2 1,15 1,168 1 0,95 0,98 0,93 PERDA DE MASSA (%). 0,8 0,6 0,4 0,2 0,11 0,11 0,15 0,305 0,51 0,786 0,795 0,6 0,63 0,68 0,45 0,27 0,52 0 CAP 7 F CAP 20 CAP 40 AM SBS 3% AM SBS 4% AM SBS 5,5% AM EVA 5% AM BMP 15% AM BMP 20% Após ECA (película delgada) Após RTFOT (película delgada rolada) Figura 4.3 Análise de perda de massa em ensaios de laboratório. Outra conclusão importante foi quanto à severidade superior, em termos de envelhecimento, que o ensaio RTFOT impõe aos ligantes asfálticos. Os Quadros 4.5 e 4.6, apresentam as perdas de massa dos ligantes asfálticos após envelhecimento comparativas. Tanto o ligante asfáltico CAP 20 como o CAP 40, como mostrado no Quadro 4.5, apresentaram perdas de massa tanto no ensaio ECA como no RTFOT, inferiores às especificadas nas Normas Brasileira, Britânica e Européia. O ligante CAP 7 F só atendeu as exigências da Norma Brasileira. Os ligantes modificados por SBS (3, 4 e 5,5%) apresentaram perdas de massa no ensaio ECA inferiores às especificadas na Norma Brasileira e superiores às especificadas na proposta de Norma Européia. O ligante asfáltico AM EVA 5% apresentou perda de massa superior à especificada na proposta de Norma Européia. No caso dos dois ligantes modificados por BMP, as perdas de massa após ECA foram mais baixas que as dos demais ligantes modificados. Já na análise da perda de massa após RTFOT, o ligante com 20% de BMP apresentou uma perda bem baixa (inferior inclusive a de todos os
83 ligantes modificados por polímeros). Entretanto, o ligante com 15% de BMP apresentou uma perda elevada provavelmente por alguma alteração ocorrida durante o ensaio. Quadro 4.5 Perdas de massa de ligantes não modificados por polímeros após envelhecimento. Ligante Norma Perda no Norma Norma Perda no Européia RTFOT, Brasileira Britânica ECA, (%) RTFOT, (%) ECA, (%) * ECA, (%) ** (%) *** CAP 20 0,11 0,11 1 0,2 0,5 CAP 40 0,15 0,305 1 0,2 0,5 CAP 7 F 0,95 1,15 1 0,2 0,8 * Especificação para o Cimento Asfáltico de Petróleo Regul. Técnico 01/92 Ver. 02 DNC; ** British Standard 3690/1989 Bitumens for Building and Civil Engineering/Specification for Bitumen for Road Purposes; e, *** European Standard EN 12591, Bitumen and Bituminous Binders Specifications for Paving Grade Bitumens, Novembro/1999. Quadro 4.6 Perdas de massa de ligantes modificados por polímeros após envelhecimento. Ligante Proposta Norma Perda no ECA, Perda no Européia Brasileira (%) RTFOT, (%) RTFOT, (%) ECA, (%) * ** AM SBS 3% 0,51 0,786 1 0,5 AM SBS 4% 0,6 0,795 1 0,5 AM SBS 5,5% 0,63 0,98 1 0,5 AM EVA 5% 0,68 0,93-0,5 AM BMP 15% 0,45 1,168 - - AM BMP 20% 0,27 0,52 - - * Especificação de Material DNER-EM 396/99 Cimento Asfáltico Modificado por Polímero; ** Proposta Européia de Especificação de Ligantes Modificados pren 14023/2002.
84 4.3.2 Resultados dos Ensaios de Penetração Os resultados das análises de penetração, após os ensaios ECA e RTFOT e do ligante asfáltico recuperado da extração de corpos-de-prova Marshall moldados em laboratório obtidos, são apresentados na Figura 4.4. Observou-se claramente o seguinte padrão nesta análise: a redução da penetração de todos os ligantes asfálticos, sendo que esta redução da penetração foi sempre maior no ensaio RTFOT do que aquela obtida no ensaio ECA. Na análise da penetração realizada com ligante asfáltico recuperado de corpo-de-prova moldado pelo método Marshall, a redução de penetração observada está muito próxima dos valores obtidos por meio do ensaio RTFOT com o ligante asfáltico original. Como pode ser visto na Figura 4.4, não é apresentada redução de penetração dos ligantes modificados por borracha de pneus (AM BMP 15% e AM BMP 20%) oriundos de ligante asfáltico recuperado por extração de corpos-de-prova Marshall. Isto se deve ao fato de que estes ligantes modificados, devido ao elevado teor de borracha, ao sofrerem o processo de extração de ligante com tricloroetileno pelo método Refluxo (ASTM D 2172), não têm todas as suas partículas extraídas, já que pequena porcentagem destes sólidos constituintes do pneu fica retida no filtro (por não serem completamente solúveis no solvente), normalmente constituída de negro de fumo e polímeros. Portanto, qualquer análise do ligante asfáltico recuperado pelo método de Abson nesta condição é prejudicada.
85 120 110 100 98 90 PENETRAÇÃO (0,1 mm). 80 70 60 50 40 30 20 10 48 32 40 57 54 24 26 45 38 38 35 33 35 30 29 24 25 18 18 18 17 14 10 55 36 29 18 40 40 28 27 23 10 0 CAP 7 F CAP 20 CAP 40 AM SBS 3% AM SBS 4% AM SBS 5,5% AM EVA 5% AM BMP 15% AM BMP 20% Ligante Original Após ECA Após RTFOT Envelhecimento Laboratório Figura 4.4 Análise da penetração dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório. O Quadro 4.7 apresenta os valores de porcentagem da penetração original após ECA, RTFOT e Marshall e faz a comparação com as exigências das Normas Brasileira, Britânica e Européia. Com exceção do CAP 7 - F, os ligantes asfálticos pesquisados não apresentaram problemas para atenderem às especificações nacional e internacional quando o envelhecimento do ligante é realizado por meio do ensaio ECA Efeito do Calor e do Ar. Tal constatação comunga com o Relatório Final da Pesquisa de Asfaltos Modificados por Polímeros do DNER (1998), que relata que a relação de penetrações antes e após o ensaio ECA foi superior a 65% para o CAP 20 e superior a 70% para os ligantes asfálticos modificados.
86 Quadro 4.7 - Porcentagem da penetração original após ensaios de envelhecimento. Ligante % % Norma Norma Pen. % Norma Pen. Pen. Brasil Européia Original Pen. Britânica após após ECA, RTFOT, (0,1 após ECA, (%) RTFOT Marshall (%) (%) ****, mm) ECA *** *, ** ***** CAP 7 F 98 49,0 32,7 40,8 47 80 46 CAP 20 57 94,7 42,1 45,6 50 80 50 CAP 40 35 94,3 28,6 51,4 50 80 53 AM SBS 3% 45 77,8 53,3 40,0 50-60 AM SBS 4% 38 78,9 47,3 44,7 50-60 AM SBS 5,5% 38 76,3 36,8 65,8 50-60 AM EVA 5% 55 65,4 32,7 52,7 - - 60 AM BMP 40 70,0 57,5 - - - - 15% AM BMP 20% 40 67,5 25,0 - - - - * Especificação para o Cimento Asfáltico de Petróleo Regul. Técnico 01/92 Ver. 02 DNC; ** Especificação de Material DNER-EM 396/99 Cimento Asfáltico Modificado por Polímero; *** British Standard 3690/1989 Bitumens for Building and Civil Engineering/Specification for Bitumen for Road Purposes; **** European Standard EN 12591, Bitumen and Bituminous Binders Specifications for Paving Grade Bitumens, Novembro/1999; e ***** Proposta Européia de Especificação de Ligantes Modificados pren 14023/2002.
87 Os valores obtidos de porcentagem de penetração retida após o ensaio RTFOT, quando comparados com as normas européias, indicam que nenhum dos ligantes pesquisados atenderia o limite especificado. O ligante asfáltico que percentualmente apresentou a menor redução de penetração, entre todos os ligantes após RTFOT, foi o AM BMP 15% com 57,5% de % da penetração original. Constatou-se uma variação muito grande, entre os valores de penetração retida após RTFOT e após Marshall, dos ligantes CAP 40, AM SBS 5,5% e AM EVA 5%. No caso da penetração após o ensaio Marshall, pode-se constatar, com base na Figura 4.4, a ocorrência de duas situações. Na primeira, os valores de penetração encontrados foram inferiores aos valores obtidos após o RTFOT, no caso dos ligantes modificados por SBS com teores de 3 e 4%. Na segunda situação, os valores de penetração encontrados se situaram entre aqueles obtidos após ECA e aqueles obtidos após RTFOT, que é o caso de todos os demais ligantes asfálticos. Pode-se concluir, com base no observado, que nenhum dos ligantes asfálticos envelhecidos após dosagem Marshall apresentou valores de penetração maiores que aqueles encontrados após o ensaio ECA, o que evidencia a baixa severidade deste ensaio, não simulando a condição do envelhecimento dos ligantes asfálticos que ocorre após moldagem Marshall. 4.3.3 Resultados dos Ensaios de Ponto de Amolecimento A Figura 4.5 apresenta os resultados da análise do ponto de amolecimento após os ensaios ECA e RTFOT e de ligante asfáltico recuperado de extração de corpos-de-prova Marshall moldados em laboratório. O aumento de consistência dos ligantes asfálticos pesquisados por meio do aumento do ponto de amolecimento, foi constatado também de forma inequívoca. Neste ensaio constatou-se um aumento do ponto de amolecimento mais severo no ensaio RTFOT. O Quadro 4.8 apresenta o aumento do ponto de amolecimento após envelhecimento, em º C, em comparação com as normas brasileiras e européias. No caso dos ligantes asfálticos modificados por polímero SBS, constatou-se o aumento do ponto de amolecimento nos ensaios de envelhecimento, ao invés da redução citada por LEITE (1999).
88 De uma forma geral, os ligantes asfálticos pesquisados não apresentaram problemas para se adaptarem às especificações nacionais e internacionais quando o envelhecimento do asfalto é realizado tanto pelo ensaio ECA como pelo ensaio RTFOT. Com exceção do ligante CAP 7 F, que por ter sido fluxado com agente rejuvenescedor e por não ter polímero em sua composição, apresentou a maior perda de massa em dois ensaios (ECA e RTFOT) e conseqüentemente o maior aumento no ponto de amolecimento. O valor do ponto de amolecimento observado nos ligantes asfálticos recuperados após moldagem dos corpos-de-prova Marshall foi elevado e isto pode evidenciar a severidade do envelhecimento do ligante asfáltico que ocorre na moldagem dos corpos-de-prova Marshall. PONTO DE AMOLECIMENTO ( C). 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 50 54 51 44 62 57 58 60 59 54 54 53 55 55 50 50 71 64 64 65 67 64 59 61 62 58 58 58 53 53 55 CAP 7 F CAP 20 CAP 40 AM SBS 3% AM SBS 4% AM SBS 5,5% AM EVA 5% AM BMP 15% 66 62 78 AM BMP 20% Ligante Original Após ECA Após RTFOT Envelhecimento Laboratório Figura 4.5 Análise do ponto de amolecimento dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório.
89 Quadro 4.8 - Aumento do ponto de amolecimento, em º C, após envelhecimento. Ligante Aumento Aumento Norma Norma Proposta Aumento do PA do PA Européia Brasileira Européia do PA após após após RTFOT, ECA, RTFOT, ECA, (º C) RTFOT, Marshall, (º C) * (º C)** (º C) *** (º C) (º C) CAP 7 F 6 10 7 9 - - CAP 20 0 7 8 9 - - CAP 40 0 8 6 8 - - AM SBS 3% 2 2 6-4 8 AM SBS 4% 5 5 6-4 8 AM SBS 5,5% 3 6 10-4 8 AM EVA 5% 5 5 9 - - 9 AM BMP 15% 2 5 - - - - AM BMP 20% 4 16 - - - - * European Standard EN 12591, Les bitumes purs (Norme NF EN 12591), Tableau 4, Les Liants Hydrocarbonés; ** Especificação de Material DNER- EM 396/99 Cimento Asfáltico Modificado por Polímero; e, *** Proposta Européia de Especificação de Ligantes Modificados pren 14023/2002. 4.3.4 Resultados dos Ensaios de Recuperação Elástica Os resultados das análises de recuperação elástica, após os ensaios ECA e RTFOT e de ligante asfáltico recuperado de extração de corpos de prova Marshall moldados em laboratório obtidos, são apresentados na Figura 4.6.
90 RECUPERAÇÃO ELÁSTICA (%). 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 9 8 0 4 6 6 4 4 0 2 0 2 61 60 28 55 81 76 71 68 88 82 72 84 40 37 50 45 35 24 CAP 7 F CAP 20 CAP 40 AM SBS 3% AM SBS 4% AM SBS 5,5% AM EVA 5% AM BMP 15% 73 55 50 80 AM BMP 20% Ligante Original Após ECA Após RTFOT Envelhecimento Laboratório Figura 4.6 Análise da Recuperação elástica dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório. A recuperação elástica dos ligantes tradicionais CAP 20 e CAP 40, e mesmo do CAP 7 F, são muito pequenas comparativamente a dos ligantes asfálticos modificados originais. Em nenhuma das especificações estudadas (nacionais ou internacionais, já citadas anteriormente) foi encontrado qualquer menção à porcentagem da recuperação elástica original após envelhecimento para ligantes não modificados. Os ligantes modificados por SBS, independentemente do teor de polímeros, apresentaram uma queda dessa característica em todos os métodos de simulação de envelhecimento utilizados. Isto já foi citado por LEITE (1999), que ressalta que os ligantes modificados por SBS não apresentam boa resistência ao envelhecimento. A baixa resistência se deve à quebra das ligações duplas do polibutadieno, presentes no SBS e à redução do tamanho das moléculas de SBS. Em conseqüência, o produto diminui a elasticidade. A redução da recuperação elástica desses ligantes asfálticos, no ensaio RTFOT, por exemplo, (que neste caso foi o mais severo), foi de 16 a 54% em relação à recuperação elástica do ligante asfáltico original. No entanto, apesar dessa redução observada, a recuperação elástica resultante é ainda muito maior que a recuperação
91 observada nos ligantes asfálticos não modificados, que praticamente não possuem essa propriedade após o ensaio RTFOT. A Especificação do DNER para Cimento Asfáltico Modificado por Polímero (EM 396/99), preconiza um valor de Recuperação Elástica após ECA superior a 80% para ligantes asfálticos modificados por SBS. Segundo os dados da Figura 4.6, este valor é atendido somente pelo ligante AM SBS 5,5%. Segundo LEITE (1999), uma das restrições a esta especificação é que ela só contempla ligantes asfálticos modificados por SBS com alto teor de polímero, restringindo a utilização de ligantes com 3% de SBS, muito utilizados no exterior, mas que não apresentam uma recuperação elástica tão elevada. O ligante modificado por EVA apresentou um comportamento diferente dos ligantes até aqui distinguidos, pois, em dois ensaios de envelhecimento, os mais severos (RTFOT e recuperação de ligante asfáltico extraído de corpo-de-prova Marshall), ocorreu um aumento de recuperação elástica, de 40 para 50% no RTFOT e de 40 para 45% no envelhecimento propiciado pelo Marshall. Segundo LEITE (1999), este comportamento se deve, possivelmente, a não existência de ligações duplas nas suas moléculas e por isso, os ligantes asfálticos modificados por EVA apresentam excelente resistência ao envelhecimento, mantendo boa resistência à deformação permanente, mesmo após o envelhecimento no ensaio RTFOT. A elasticidade apresentada por algumas formulações com EVA, expressa em termos de ângulo de fase é, em alguns casos, superior a dos ligantes modificados por SBS. Nos estudos de LEITE (1999), foi constatada a diminuição do ângulo de fase em amostras com EVA antes e depois do envelhecimento revelando, conseqüentemente, ganho de elasticidade ao invés de perda como observado nos ligantes modificados por SBS. Os dois ligantes modificados por borracha de pneus, tiveram um aumento significativo na recuperação elástica após o ensaio RTFOT. Sendo 108 % no ligante modificado por 15% de BMP e de 45 % no ligante modificado por 20% de BMP. Este fato pode ser devido a severidade do ensaio RTFOT, que expõe o ligante asfáltico, por meio da formação de uma fina película, a um aquecimento maior, colaborando para ocorrer uma maior interação entre as moléculas de borracha e de ligante asfáltico, o que pode proporcionar uma continuação do processo de fusão, melhorando conseqüentemente a recuperação elástica. Este fenômeno também pode ser conseqüência do tipo de borracha moída de pneu utilizado na modificação do ligante asfáltico.
92 Muito provavelmente, este fenômeno também deve ocorrer durante a usinagem no campo, proporcionando um mistura asfáltica mais flexível mesmo após a oxidação que ocorre em todo o processo de fabricação e aplicação da massa asfáltica. 4.3.5 Resultados dos Ensaios de Viscosidade Dinâmica As Figuras 4.7, 4.8 e 4.9 apresentam os resultados das análises de viscosidade dinâmica (em cp) após os ensaios ECA e RTFOT e com ligante asfáltico recuperado de extração de corpos-deprova Marshall moldados em laboratório, nas temperaturas de 135, 155 e 175 C. Duas destas temperaturas, 135 e 155 C, foram escolhidas para caracterizar a consistência dos ligantes asfálticos com base na Especificação do DNER (EM 396/99). Por outro lado, a obtenção da viscosidade à temperatura de 175 C permite o lançamento de uma curva e melhora também o espectro de viscosidades observado. Da observação destas 3 Figuras, pode-se constatar, de forma gráfica, o espectro de aumento das viscosidades dos ligantes asfálticos após as formas de envelhecimento realizadas, sendo importante ressaltar também, a diferença entre as viscosidades dos diferentes tipos de ligantes asfálticos pesquisados. Como exemplo, cita-se a maior viscosidade dos ligantes modificados por borracha moída de pneus que é muito superior a de todos os demais ligantes asfálticos, a ponto de na temperatura de 135 C sua viscosidade ser tão alta que não foi possível medi-la pela metodologia utilizada. Esta é uma característica própria dos ligantes modificados por BMP e não significa aumento de rigidez do ligante asfáltico. O aumento de consistência observado também foi bem padronizado. De maneira geral, houve aumento da viscosidade dinâmica após ECA e maior ainda após RTFOT. O aumento de viscosidade do ligante asfáltico recuperado após dosagem Marshall também foi elevado, e muito variável, sendo ora superior ora inferior aos valores observados nos demais ensaios de avaliação de envelhecimento empregados na pesquisa. Tal fato enseja a constatação de que o envelhecimento que ocorre na moldagem dos corpos de prova em laboratório não deve ser desconsiderado, o que revela que os ensaios de comportamento mecânico e à fadiga realizados posteriormente, com estes corpos-de-prova, já possuem algum grau de envelhecimento do ligante asfáltico.
93 4000 3500 VISCOSIDADE DINÂMICA A 135 C, cp 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 3060 2300 2000 1780 1740 1404 1500 1256 1197 1240 1130 1230 1000 1000 960 768 797 816 759 650 561 560 476 440 411 414 383392 316 320 221 CAP 7 F CAP 20 CAP 40 AM SBS 3% AM SBS 4% AM SBS 5,5% AM EVA 5% AM BMP 15% AM BMP 20% Ligante Original Após ECA Após RTFOT Envelhecimento Laboratório Figura 4.7 Análise de viscosidade à 135º C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório.
94 4000 3950 3820 3500 VISCOSIDADE DINÂMICA A 155 C, cp 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2300 1128 830 717 645 667 585 548 491 480 409 450 422 448 470 392 337 261 251 285 290 127 130 183 220 219 158 161 97 150 153 172 CAP 7 F CAP 20 CAP 40 AM SBS 3% AM SBS 4% AM SBS 5,5% AM EVA 5% AM BMP 15% AM BMP 20% Ligante Original Após ECA Após RTFOT Envelhecimento Laboratório Figura 4.8 Análise de viscosidade à 155º C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório.
95 VISCOSIDADE DINÂMICA A 175 C, cp 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1792 975 850 561 370 299 320 282 301 216 236 257 277 231 195 213 218 191 162 116 117 139 132 86 98 98 57 59 69 71 50 71 78 80 CAP 7 F CAP 20 CAP 40 AM SBS 3% AM SBS 4% AM SBS 5,5% AM EVA 5% AM BMP 15% AM BMP 20% Ligante Original Após ECA Após RTFOT Envelhecimento Laboratório Figura 4.9 Análise de viscosidade à 175º C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório.
96 Pode-se observar no Quadro 4.9, os diferentes aumentos de viscosidade após RTFOT em relação ao ligante original nas diferentes temperaturas estudadas, traduzidos em forma de um índice de relação de viscosidades. Além disso, está exibido na coluna Ordem, uma hierarquização dessa relação de viscosidades, de forma que quanto maior a ordem maior o aumento de consistência após o envelhecimento, e portanto, maior seria o envelhecimento do ligante asfáltico. Quadro 4.9 - Relação de viscosidades entre o ligante asfáltico original e após RTFOT. Ligante Viscosidades a 135 des a 155 des a 175 Viscosida- Viscosida- Ordededem Or- Or- C C C CAP 7 F 1,77 5 1,58 5 1,56 6 CAP 20 1,51 4 1,44 4 1,51 5 CAP 40 1,87 7 1,65 7 1,68 7 AM SBS 3% 1,26 2 1,14 2 1,19 2 AM SBS 4% 1,40 3 1,17 3 1,38 3 AM SBS 5,5% 1,77 6 1,59 6 1,38 4 AM EVA 5% 1,24 1 1,06 1 1,09 1 AM BMP 15% 3,19 8 2,88 9 2,94 9 AM BMP 20% - - 1,66 8 2,11 8 As viscosidades apresentadas nas Figuras 4.7, 4.8 e 4.9 e no Quadro 4.9 foram obtidas por meio do Viscosímetro Brookfield, com spindle 21, com RPM entre 20 e 100 e torque entre 10 e 95% (ASTM D - 4402). O aquecimento foi mantido com precisão de 0,1 C, por container Thermosel. As Figuras apresentadas de Viscosidades Dinâmicas comparam essa grandeza entre ligantes modificados por polímeros ou BMP que podem apresentar comportamento não newtoniano com ligantes asfálticos tradicionais de comportamento claramente newtoniano (onde a viscosidade não varia com a taxa de cisalhamento). Normalmente, nesse tipo de estudo deve-se manter o mesmo spindle e a mesma rotação para poder garantir a mesma taxa de cisalhamento. Nesta pesquisa, foi mantido o mesmo spindle, mas foi necessário alterar a rotação de modo a manter o torque entre 5 e 95%, exigido pelo método ASTM D 4402, e em conseqüência, alterou-se um pouco a taxa de cisalhamento. Esta simplificação adotada, para apresentar a comparação entre as viscosidades não é perfeita, mas permite, com razoável grau de segurança, que se observe o
97 espectro da magnitude dos valores de viscosidade dos diferentes ligantes asfálticos bem como o efeito do envelhecimento simulado sobre estes ligantes. O ensaio realizado através da ASTM D - 4402 não é o mais apropriado para medição de viscosidade de ligantes modificados por borracha moída de pneus, já que estes devem ser avaliados pelo método ASTM D 2196. No entanto, como efeito comparativo de visualização dessas viscosidades, crê-se ser válida a simplificação realizada. De acordo com os dados apresentados, pode-se constatar que: Independentemente da temperatura e da relação de viscosidades observada, o ligante AM EVA 5% apresentou o menor aumento de consistência. Em seguida aparecem os dois ligantes modificados por SBS de teor 3 e 4%; Foi elevado o aumento da consistência dos ligantes asfálticos não modificados, notadamente do CAP 40, em todas as temperaturas observadas. Isto pode evidenciar, um aumento da resistência ao cisalhamento e da rigidez da mistura e neste caso, pela falta de modificadores elásticos, a mistura asfáltica pode apresentar um comportamento frágil (quebradiço); e, Os ligantes modificados por borracha de pneus apresentaram as maiores relações de viscosidades comparativamente ao ligante asfáltico original. Este aumento de consistência era esperado pelo alto teor de borracha utilizado na fabricação destes ligantes asfálticos. Para estes ligantes, a interpretação do comportamento é diferente dos demais, pois a ação da borracha no ligante após envelhecimento, propicia um aumento significativo de recuperação elástica, tornando a mistura asfáltica mais dúctil e, portanto, com elevada resistência a deformação permanente e capaz de aceitar maiores deformações do pavimento.
98 4.3.6 Discussão dos Resultados O aumento de consistência dos ligantes asfálticos observado nos ensaios realizados, caracterizam, de forma clara, o seguinte comportamento após o envelhecimento em laboratório: a) O envelhecimento do ligante asfáltico obtido por meio de recuperação de ligante extraído de corpos-de-prova Marshall moldados em laboratório, apesar de algumas distorções mostrou-se, de uma forma geral, muito próximo da severidade alcançada com o RTFOT e, por conseqüência, ao se submeter os corpos-de-prova a ensaios de comportamento mecânico da mistura, esta mistura asfáltica já comporta algum efeito de envelhecimento de curto prazo; b) Os ligantes asfálticos modificados por polímeros apresentam um melhor comportamento ao envelhecimento que os ligantes asfálticos tradicionais; c) De uma forma geral, todos os ligantes asfálticos envelhecidos em laboratório, apresentaram redução na penetração, aumento do ponto de amolecimento, aumento da viscosidade e redução na recuperação elástica (CAP 7 F, CAP 20, CAP 40, AM SBS 3%, AM SBS 4% e AM SBS 5,5%); d) Ocorreu aumento na recuperação elástica, após RTFOT e ensaio simulado de laboratório pós moldagem de corpos-de-prova Marshall, dos ligantes asfálticos AM EVA 5%, AM BMP 15% e AM BMP 20%. Este aumento pode ser debitado, no caso do polímero EVA, a não existência de ligações duplas em suas moléculas, que faz com que os ligantes asfálticos modificados por EVA apresentem excelente resistência ao envelhecimento. Já com relação ao aumento da recuperação elástica após RTFOT do ligante asfáltico modificado por borracha moída de pneus, deve-se, provavelmente, ao fato de que ocorre durante o ensaio RTFOT uma maior interação entre as moléculas de borracha e do ligante asfáltico, o que proporcionaria uma continuação do processo de fusão e melhorando assim o comportamento elástico deste ligante; e) O ligante modificado por EVA apresentou um excelente comportamento frente ao envelhecimento, traduzido pelo aumento da sua recuperação elástica após RTFOT e
99 também pelo baixo aumento de consistência observado em termos de viscosidade, comparativamente aos demais ligantes asfálticos; f) Os dois ligantes asfálticos modificados por BMP também apresentaram um excelente comportamento frente ao envelhecimento, traduzido pelo aumento de recuperação elástica após RTFOT e também pela menor redução de penetração de todos os ligantes asfálticos após RTFOT (caso do ligante AM BMP 15%). O aumento de consistência observado, em termos de viscosidade, já era esperado, e não deve ser considerado como sinônimo de aumento da rigidez do ligante asfáltico, pois a ação da borracha no ligante, após envelhecimento, propicia um aumento na recuperação elástica, tornando o ligante asfáltico e por conseqüência a mistura asfáltica, mais dúctil e elástica. Adicionalmente, segundo WYNGAARD (2003), o envelhecimento do ligante modificado por BMP é restringido pela ação da borracha moída que absorve os aromáticos e saturados presentes no ligante asfáltico. Além disso, cercados pela BMP, os asfaltenos e as resinas do ligante asfáltico ficam protegidos contra a oxidação; g) Constatou-se, de maneira inequívoca, que a maior severidade no envelhecimento do ligante asfáltico se dá no ensaio RTFOT, em comparação com o ensaio ECA.
100 4.4 Envelhecimento dos Ligantes Asfálticos no Campo Acompanhou-se a aplicação em campo de três ligantes asfálticos com propriedades similares aos pesquisados e apresentados na Tabela 3.7 do capítulo anterior. O objetivo deste item da pesquisa foi estudar o envelhecimento que ocorre durante a industrialização da mistura asfáltica em escala real. O estudo foi conduzido com amostras obtidas em duas rodovias e para três ligantes asfálticos, CAP 20, CAP 40 e AM SBS 3%. As misturas asfálticas foram realizadas dentro da mesma faixa granulométrica da pesquisa de laboratório (faixa III do DER/PR) e o grau de compactação obtido no campo foi superior a 97%. Os locais donde se extraiu as amostras foram os seguintes: Os ligantes asfálticos CAP 20 e CAP 40 foram usinados na usina gravimétrica, com agregado granítico, da empresa Cartepas Construções e Mineração Ltda localizada em Carambeí/PR. As misturas asfálticas foram aplicadas, em junho de 2002, na rodovia PR 151, trecho Castro - Ponta Grossa. O segmento com CAP 20 está localizado entre as estacas 3350 e 3371 (LD e LE) e o segmento com CAP 40 está localizado entre as estacas 3379 e 3429 (LD); e O ligante asfáltico AM SBS 3% foi usinado em uma usina drum-mixer contra fluxo, com agregado basáltico, da Concessionária Viapar Rodovias Integradas do Paraná S/A, localizada em Maringá/PR. A mistura asfáltica foi aplicada, em agosto de 2002, na rodovia BR 376/PR, trecho Maringá Paranavaí, em um segmento compreendido entre os km 117 + 286 e 117 + 481 (na terceira faixa LE). O envelhecimento dos ligantes asfálticos foi avaliado no campo em três diferentes situações: Ligante asfáltico original coletado no tanque de armazenamento, imediatamente antes da usinagem; Ligante asfáltico recuperado, após extração de ligante, de massa coletada no caminhão basculante embaixo do misturador da usina (as temperaturas de usinagem e compactação se situaram dentro do preconizado para cada tipo de ligante); e, Ligante asfáltico recuperado, a partir de corpos-de-prova retirados da pista após, aproximadamente, 5 meses em serviço.
101 O ligante asfáltico avaliado em relação ao envelhecimento nas duas últimas situações acima descritas foi obtido através de extração de ligante asfáltico (método B, procedimento ASTM D 2172) e posterior recuperação deste pelo método de Abson (procedimento AASHTO T 170-93). A Figura 4.10 apresenta uma fotografia da usina de asfalto gravimétrica localizada em Carambeí/PR onde foram usinadas duas das misturas asfálticas analisadas quanto ao envelhecimento. Figura 4.10 Visão da usina gravimétrica utilizada na usinagem das misturas asfálticas. Com os ligantes asfálticos obtidos nas três situações descritas passou-se a realização dos ensaios com o resíduo asfáltico obtido. Os resultados serão apresentados em gráficos exprimindo as situações anteriormente listadas envolvendo os seguintes ensaios: penetração, ponto de amolecimento, recuperação elástica e viscosidades dinâmicas à 135, 155 e 175º C.