EFEITOS DA BORRACHA MOÍDA E DO RESÍDUO DE ÓLEO DE XISTO SOBRE AS PROPRIEDADES REOLÓGICAS DE LIGANTES ASFÁLTICOS A BAIXAS TEMPERATURAS

EFEITOS DA BORRACHA MOÍDA E DO RESÍDUO DE ÓLEO DE XISTO... 165 EFEITOS DA BORRACHA MOÍDA E DO RESÍDUO DE ÓLEO DE XISTO SOBRE AS PROPRIEDADES REOLÓGICAS DE LIGANTES ASFÁLTICOS A BAIXAS TEMPERATURAS Adalberto Leandro Faxina Ana Paula Furlan Manoel Henriue Alba Sória Glauco Tulio Pessa Fabbri Departamento de Transportes, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, e-mails: alfaxina@sc.usp.br, afurlan@sc.usp.br, mane@sc.usp.br, glauco@sc.usp.br Leni Figueiredo Mathias Leite Centro de Pesuisas e Desenvolvimento Leopoldo A. M. de Mello (Cenpes-Petrobras), Rio de Janeiro, Brasil, e-mail: leniml@petrobras.com.br Resumo O objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos da borracha moída e do resíduo de óleo de xisto sobre as propriedades reológicas de ligantes asfálticos sob baixas temperaturas, S[60] e m[60], e a temperatura de especificação sob baixas temperaturas, T esp. Modelos polinomiais específicos para experimentos com misturas, do tipo cúbico especial, foram ajustados, com base nos uais foram gerados gráficos de efeitos de componentes e superfícies de resposta. Os gráficos de efeitos de componentes indicaram ue os efeitos da borracha e do óleo sobre as propriedades avaliadas são positivos, já ue ambos promovem a redução da rigidez, o aumento da taxa de relaxação e a redução (o valor absoluto é maior) da temperatura de especificação a baixas temperaturas dos ligantes asfálticos. A borracha moída é mais eficiente ue o resíduo de óleo de xisto na melhoria das propriedades. A análise de superfície de resposta indicou ue há composições de asfalto, de borracha e de óleo ue atendem aos reuisitos da especificação Superpave para baixas temperaturas e outras ue não devem ser utilizadas uando se reuer um ligante asfáltico com bom comportamento a baixas temperaturas. Palavras-chave: propriedades a baixas temperaturas, ligante asfalto-borracha, resíduo de óleo de xisto, experimentos com misturas, superfície de resposta Introdução Um grande número de experiências de campo e de laboratório confirma as vantagens da adição de borracha moída ao ligante asfáltico, uma vez ue a borracha proporciona melhorias nas propriedades físicas dos ligantes asfálticos na ampla faixa de temperaturas às uais estão submetidos no pavimento. Nos países de clima frio ou temperado, nos uais o ligante asfáltico se torna mais rígido e, conseüentemente, mais propenso à formação de trincas de origem térmica, a adição de borracha moída é uma alternativa particularmente efetiva. Por outro lado, as altas viscosidades, provocadas pela adição de altas concentrações de borracha, reduzem a trabalhabilidade das misturas asfálticas e restringem a porcentagem de borracha adicionada ao ligante asfáltico. Conciliar os benefícios para o desempenho do pavimento ao longo do tempo causado pelas altas proporções de borracha moída e a perda de trabalhabilidade durante a construção é o principal desafio ue os profissionais envolvidos com a aplicação do ligante asfalto-borracha têm de enfrentar. A incorporação de óleos extensores no ligante asfaltoborracha é uma das alternativas mais práticas para reduzir a viscosidade e, assim, melhorar a trabalhabilidade das misturas asfálticas durante a construção. Embora os óleos extensores sejam altamente voláteis, grande parte de sua concentração inicial é retida pelo ligante asfalto-borracha durante muitos anos. A baixa consistência de um ligante asfalto-borracha composto com óleo extensor pode beneficiar ou prejudicar o desempenho de misturas

166 FAXINA et al. asfálticas, dependendo da temperatura à ual o pavimento está submetido. A seleção adeuada das proporções de borracha moída e de óleo extensor é essencial para obter ligantes asfalto-borracha com desempenho adeuado. Neste artigo, o resíduo de óleo de xisto é usado na composição de ligantes asfalto-borracha, a fim de verificar sua viabilidade técnica como óleo extensor. A técnica estatística de experimentos com misturas (Cornell, 2002) foi empregada como ferramenta para selecionar as composições necessárias para modelar algumas propriedades reológicas de ligantes asfálticos sob baixas temperaturas. Com base nos modelos ajustados, foram realizadas as análises de efeitos dos componentes e de superfície de resposta, para verificar a influência dos modificadores sobre as propriedades monitoradas e para indicar as proporções adeuadas de borracha e óleo a fim de produzir ligantes asfalto-borracha cujas propriedades sob baixas temperaturas atendam aos reuisitos da norma ASTM D 6373-99. Objetivos Esta pesuisa teve por objetivos: (a) monitorar a rigidez e a taxa de relaxação de ligantes asfalto-borracha compostos com resíduo de óleo de xisto; (b) modelar os efeitos dos componentes (asfalto, borracha e óleo) e das variáveis de processo (temperatura e tempo); (c) avaliar os efeitos da borracha moída e do resíduo de óleo de xisto sobre a rigidez e a taxa de relaxação a baixas temperaturas e a temperatura de especificação a baixas temperaturas de ligantes asfálticos; e (d) selecionar proporções dos componentes a fim de produzir ligantes asfaltos-borracha cujas propriedades atendam aos reuisitos da especificação Superpave para ligantes asfálticos sob temperaturas baixas. Propriedades Fundamentais dos Ligantes Asfálticos sob Baixas Temperaturas As trincas térmicas (Bahia & Anderson, 1995) são oriundas das tensões de tração desenvolvidas nas camadas do pavimento em conseüência da retração térmica causada pelo resfriamento. Ainda ue essas trincas possam ser causadas por ciclos de variação de temperatura de curta duração em climas relativamente moderados, as trincas de origem térmica em regiões de clima frio representam o mecanismo de ruptura predominante do pavimento. Durante um ciclo de resfriamento, retrações da camada asfáltica são restringidas pelo atrito com as camadas subjacentes do pavimento ue ou estão a temperaturas mais elevadas ou sofrem menor retração por conta de menor coeficiente de contração térmica. Concomitantemente, o ligante asfáltico se torna mais rígido e mais uebradiço, o ue reduz sua capacidade de relaxar as tensões de tração por relaxação de tensões. As trincas podem ocorrer (Stroup-Gardiner et al., 1996) ou como resultado de uma ueda brusca de temperatura, excedendo a temperatura crítica do pavimento, ou por ciclos de variação de temperatura em temperaturas ligeiramente acima da crítica. Estas restrições ao deslocamento (Bahia & Anderson, 1995) geram tensões de tração ue, se não relaxadas pela movimentação da camada asfáltica, irão exceder a sua resistência à tração e causar trincas. O nível de tensões geradas na camada asfáltica (Bahia & Anderson, 1995) depende da resistência à deformação do ligante asfáltico e da sua capacidade de relaxar tensões por dissipação de energia em fluxo permanente. Tradicionalmente, as trincas de origem térmica têm sido correlacionadas com a rigidez dos ligantes asfálticos medida ou estimada sob determinados tempos de carregamento (Bahia et al., 1992). A rigidez, no entanto, não reflete a capacidade de alívio de tensões do ligante asfáltico. Para poder aliviar tensões, um material deveria ser capaz de se deformar facilmente sob as tensões aplicadas e ter peueno componente elástico na sua resposta (Bahia & Anderson, 1995). A principal função reológica relacionada ao desenvolvimento de trincas térmicas é a rigidez para carregamentos de longa duração e temperaturas baixas. O principal indicador da resistência à formação de trincas de origem térmica é a temperatura de rigidez crítica. Embora diferentes pesuisadores tenham proposto diferentes combinações de rigidez e de tempo de carregamento para especificar a temperatura de rigidez crítica, os pesuisadores do SHRP estabeleceram o valor de 300 MPa como o limite da rigidez (S[60]), mas reconheceram ue a dependência do tempo da rigidez também afeta as tensões de retração térmica. Como a dependência do tempo de diferentes ligantes asfálticos varia amplamente, a forma da curva-mestre de rigidez também deveria afetar o nível de tensões de tração desenvolvidas durante o resfriamento. Os pesuisadores do SHRP incluíram a taxa de relaxação (m[60]) mínima de 0,3, obtida como a inclinação da curva de rigidez versus tempo em escala log-log (Christensen & Anderson, 1992; Anderson & Kennedy, 1993). Delineamento do Experimento Os ligantes asfálticos avaliados foram selecionados com base em um experimento delineado por meio da técnica estatística de experimentos com misturas [9], com restrições nas proporções dos componentes e com variáveis de processo. Chamando x 1 o teor de ligante asfáltico, x 2 o teor de borracha moída e x 3 o teor de resíduo de óleo de xisto, as restrições impostas, em porcentagem, foram: 60 x 1 100, 0 x 2 22 e 0 x 3 18. A Figura 1a ilustra o simplex e a região delimitada para o experimento, onde estão indicadas as misturas projetadas.

EFEITOS DA BORRACHA MOÍDA E DO RESÍDUO DE ÓLEO DE XISTO... 167 As variáveis de processo incluídas foram a temperatura (T) e o tempo (t), nos níveis máximo e mínimo, arbitrados em 170 e 200 C e 90 e 120 min, respectivamente, e a rotação do misturador foi fixada em 4.000 rpm, para fracionar o experimento. As variáveis de processo foram aplicadas apenas às misturas ue contêm borracha (Figura 1b). As misturas projetadas foram: 100-0-0, 91-0-9, 82-0-18, 89-11-0, 60-22-18, 69-22-9, 71-11-18, 78-22-0 e 80-11-9, em ue o primeiro número corresponde ao teor de ligante asfáltico, o segundo, ao teor de borracha moída e o terceiro, ao teor de resíduo de óleo de xisto. Um segundo experimento foi delineado com a finalidade de definir composições destinadas à validação dos modelos obtidos com base nos dados do primeiro experimento. Foram compostas sete novas misturas (100-0-0, 93-0-7, 86-0-14, 91-9-0, 77-9-14, 82-18-0, 75-18-7 e 68-18-14), a 170 C, 90 min e 4.000 rpm, com base nas seguintes restrições: 68 x 1 100, 0 x 2 18 e 0 x 3 14. Materiais Empregados A borracha, cuja composição granulométrica é mostrada na Tabela 1, foi produzida pela empresa Artgoma S.A., de São Paulo, SP, obtida da trituração de pneus de veículos pesados. O ensaio de termogravimetria indicou a presença de 64,3% de polímeros e plastificantes, 31,4% de negro de fumo e 4,3% de material inorgânico na composição uímica da borracha. O cimento asfáltico de petróleo CAP 30/45, com classificação PG 70-10 pela especificação Superpave, foi empregado como ligante asfáltico de base. O resíduo de óleo de xisto, tipo AR-5, conforme especificação ASTM D 4552, foi fornecido pela Unidade de Negócios da Industrialização do Xisto (SIX- Petrobras), de São Mateus do Sul, PR. Procedimento Experimental Preparação dos ligantes asfalto-borracha Na primeira fase do experimento, as misturas contendo asfalto e borracha e auelas contendo asfalto, borracha e óleo foram preparadas em misturador de alto cisalhamento (marca Silverson, modelo L4RT), a 4.000 rpm, nas temperaturas e tempos de mistura especificados no delineamento do experimento. As misturas contendo asfalto e óleo foram preparadas em misturador de baixo cisalhamento (marca Ika Labortechnik, modelo RW20) sob rotação de 300 rpm, temperatura de 135ºC e tempo de 20 min. Foram compostas, no total, 26 misturas, às uais se soma a mistura de referência, totalizando 27 ligantes asfálticos. Na segunda fase do experimento, as misturas contendo apenas asfalto e borracha e auelas contendo asfalto, borracha e resíduo de óleo de xisto foram processadas a 170 C, durante 90 min, a uma velocidade de 4.000 rpm, em misturador de alto cisalhamento (marca Silverson, modelo L4RT). As misturas contendo apenas asfalto e resíduo de óleo de xisto foram processadas a 135 C, durante 25 min, sob rotação de 400 rpm em misturador de baixo cisalhamento (marca Fisatom, modelo 722D). Foram compostas, no total, 7 misturas, às uais se soma a mistura de referência, totalizando 8 ligantes asfálticos. (x 1 ) 1 (x ) 1 1 5 6 2 9 3 5 6 7 4 8 2 9 3 7 8 (x ) 2 4 (x ) 3 (x ) 2 18 22 (x ) 3 (a) (b) Figura 1 (a) Simplex do experimento, região delimitada e misturas escolhidas; (b) detalhe da região experimental, com as misturas escolhidas e as variáveis de processo. [Nomenclatura: teor de asfalto-teor de borracha-teor de óleo.]

168 FAXINA et al. Tabela 1 Composição granulométrica da borracha empregada. abertura, mm 1,19 0,59 2 0,297 0,175 0,150 74 fundo % passada 100 99,24 59,74 44,99 15,84 11,31 2,46 0 Ensaios de caracterização física dos ligantes asfálticos Os ligantes asfálticos foram previamente submetidos aos envelhecimentos a curto e a longo prazos (normas ASTM D 2872-97 e D 6521-03a). Os ensaios de caracterização reológica foram conduzidos de acordo com a norma ASTM D 6648-01 nas seguintes temperaturas: 6, 12, 18 e 24ºC, ue correspondem às temperaturas de 16, 22, 28 e 34ºC, empregando o reômetro de flexão em viga da marca Cannon. Réplicas foram testadas somente na temperatura de 12 C. As propriedades obtidas dos ensaios no reômetro são: rigidez a 60 s [S(60)] e taxa de relaxação a 60 s [m(60)]. Com base nos resultados, as temperaturas de especificação para baixas temperaturas foram determinadas, considerando os limites de rigidez e de taxa de relaxação especificadas pela norma ASTM D 6373-99. Procedimento de Análise Para a realização da modelagem estatística foi empregado o pacote estatístico Minitab, versão 14.1. A análise dos resíduos foi realizada por meio de inspeção visual, para a verificação de tendências, e do teste de Anderson-Darling, para verificar a ocorrência de distribuição normal dos resíduos. O efeito da multicolinearidade, normalmente presente em regiões experimentais altamente delimitadas, não foi considerado neste estudo, uma vez ue a modelagem está direcionada exclusivamente para previsão. O modelo empregado na regressão é denominado modelo cúbico especial, com o formato geral indicado na euação 1. Tais modelos são denominados modelos canônicos e são específicos para modelagem de problemas de misturas. 0 0 0 i i ij i j ijk i j k i= 1 i < j m m m βi xi βijxx i j βijkxxx i j k zm i= 1 i < j η= β x + β xx + β xxx + + + + + (1) 12 12 12 + βi xi + βij xx i j+ βijkxxx i j k zz 1 2 i= 1 i < j com i, j, k = 1, 2,..., sendo o número de componentes da mistura, e m = 1, 2, sendo m o número de variáveis de processo, β i, β ij e β ijk as estimativas dos coeficientes dos termos x i, x ij e x ijk, respectivamente, x i, x j e x k correspondentes aos teores de asfalto, de borracha e de óleo, respectivamente, z m o valor codificado da variável de processo m e z 1 e z 2 os valores codificados ( 1 para o nível inferior e +1 para o nível superior) das variáveis de processo temperatura e tempo de processamento, respectivamente. A análise estatística se baseia na avaliação dos gráficos de efeitos dos componentes e das superfícies de resposta. Um gráfico de efeitos dos componentes mostra o efeito ue cada componente, isoladamente, tem sobre a resposta, com base no modelo adotado. Este tipo de gráfico indica o efeito da variação da proporção de um dado componente, mantendo constante a relação entre proporções dos demais. Isto uer dizer ue, ao avaliar o efeito da variação da proporção de borracha, por exemplo, as proporções de asfalto e de óleo na mistura também variam, mas a relação entre estes dois últimos componentes se mantém constante. Cada linha no gráfico indica o efeito de mudar o componente correspondente em uma linha imaginária (direção), conectando a mistura de referência (normalmente o centróide da região experimental) ao vértice da região experimental e a mistura de referência ao lado oposto ao vértice. É preciso entender ue a análise de efeitos de componentes exposta por este tipo de gráfico é apenas uma dentre muitas possibilidades de análise (várias direções). A direção escolhida, nesta análise, corresponde à reta ligando o vértice ao lado oposto da região experimental, passando pela mistura de referência, ue, neste caso, é o centróide da região delimitada na Figura 1. Esse tipo de gráfico pode ser empregado para identificar o componente ue influencia mais a resposta. A amplitude horizontal indica a faixa de variação da proporção dos componentes, nos limites indicados no delineamento do experimento, partindo da mistura de referência para +50% da faixa de variação e para 50% desta faixa. A amplitude vertical indica a intensidade do efeito da variação da proporção do componente na mistura sobre a propriedade. Uma maneira mais rápida de analisar os efeitos é ver a porcentagem de cada componente aumentando da direita para a esuerda, dentro da sua respectiva faixa de variação. Ao interpretar um gráfico de efeitos de componentes é necessário observar ue: (a) todos os componentes são interpretados em relação à mistura de referência; (b) os componentes ue apresentam maior efeito na resposta apresentarão curvas com maior inclinação; (c) componentes ue apresentam faixas mais amplas de ocorrência (limite superior limite inferior) apresentarão curvas mais extensas,

EFEITOS DA BORRACHA MOÍDA E DO RESÍDUO DE ÓLEO DE XISTO... 169 componentes com faixas mais restritas apresentarão curvas mais curtas; (d) o efeito total de um componente depende da sua faixa de ocorrência e da inclinação da curva correspondente; o efeito total de um componente é definido pela diferença na resposta entre o ponto na curva correspondente ao seu limite superior e o ponto na curva correspondente ao seu limite inferior; (e) componentes com curvas aproximadamente horizontais, em relação à mistura de referência, não apresentam virtualmente nenhum efeito sobre a resposta; (f) componentes com curvas semelhantes apresentarão efeitos semelhantes sobre a resposta; e (g) os componentes não têm efeitos totalmente isolados, uma vez ue alterar a proporção de um implica alterar a de pelo menos um dos complementares. As superfícies de resposta permitem mostrar como uma resposta se relaciona com os componentes da mistura, com base no modelo adotado. A superfície de resposta representa um plano bidimensional, no ual todos os pontos ue apresentam a mesma resposta estão conectados para produzir curvas de nível. As superfícies de resposta são úteis para estabelecer valores ideais de uma dada propriedade e as misturas ideais correspondentes. Representam uma ferramenta efetiva na determinação de regiões em ue o resíduo de óleo de xisto pode ser empregado em conjunto com a borracha, funcionando, eventualmente, como um óleo extensor. Análise Estatística A Tabela 2 apresenta os modelos de regressão referentes à rigidez S[60], a 22 C, à taxa de relaxação, a 22 C, e à temperatura de especificação a baixas temperaturas, T esp BT. A Figura 2 mostra o gráfico de efeitos dos componentes e a superfície de resposta para a rigidez; a Figura 3 mostra o gráfico de efeitos dos componentes e a superfície de resposta para a taxa de relaxação; e a Figura 4 mostra o gráfico de efeitos dos componentes e a superfície de resposta para a temperatura de especificação. Tanto os gráficos de efeitos dos componentes uanto as superfícies de resposta foram gerados com base nos modelos de regressão apresentados na Tabela 2 para a condição ( 1, 1) das variáveis de processo, isto é, 170 C e 90 min. As Figuras de 5 a 7 mostram a euivalência entre os valores ajustados e observados para a amostra de validação dos modelos. Propriedade Modelo de regressão R² (%) n S[60] 22 C (MPa) Tabela 2 Modelos de regressão referentes às propriedades monitoradas. = 681x 1 + 7.279x 2 + 5.992x 3 11.777x 1 x 2 9119x 1 x 3 56.719x 2 x 3 + 66.896x 1 x 2 x 3 98,44 76 m[60] 22 C = 0,266x 1 + 1,696x 2 + 0,864x 3 1,134x 1 x 2 + 0,565x 1 x 2 x 3 Tt 95,97 66 T esp BT( C) = 16,3x 1 139,3x 2 + 54,6x 3 + 84,2x 1 x 2 144,3x 1 x 2 97,62 64 x 1 : porcentagem de CAP; x 2 : porcentagem de borracha; x 3 : porcentagem de óleo; T: temperatura; t: tempo; n: amostra. Rigidez 22 C (MPa) 700 600 500 400 300 200 100 0 100 Efeitos dos componentes -0,2-0,1 0,1 0,2 Desvio da mistura de referência em proporção (a) Componente Temperatura: 1 Tempo: 1 Superfície de resposta S[60] 22 C (MPa) Figura 2 (a) Efeitos dos componentes; (b) superfície de resposta para a rigidez, S(60), a 22 C, para 170 C e 90 min, condição ( 1, 1). 100 150 1,0 250 50 0,6 (b) 25 200

170 FAXINA et al. Análise dos Resultados A Figura 2a mostra ue, na direção escolhida, o aumento da proporção de asfalto aumenta S(60), o ue não é vantajoso em termos de resistência à formação de trincas térmicas, e ue o aumento da proporção de borracha e óleo reduz S(60), o ue proporciona misturas asfálticas com maior resistência à formação de trincas de origem térmica. S(60) diminui com o aumento das proporções de borracha e de óleo de forma aproximadamente linear. O efeito da borracha é mais intenso ue o do óleo: a borracha reduz S(60) de 14,5 MPa para cada 1% adicionado e o óleo reduz S(60) de 6,6 MPa para cada 1% adicionado. O efeito da proporção de borracha é praticamente duas vezes maior ue o da proporção de óleo. Observa-se também ue concentrações altas de borracha são pouco efetivas na redução de S(60). A Figura 2b mostra ue misturas contendo proporções baixas de borracha e concentrações de baixas a intermediárias de óleo não atendem ao critério da especificação Superpave para S(60), a 22 C. A Figura 3a mostra ue, se a proporção de asfalto na composição aumenta, m(60) diminui de forma praticamente linear, o ue não é vantajoso em termos de dissipação de energia sob temperaturas baixas. Por outro lado, o aumento das proporções tanto de borracha uanto de óleo são favoráveis. e óleo aumentam m(60) linearmente. A intensidade com a ual o óleo afeta m(60) é ligeiramente maior ue a da borracha: m(60) aumenta 060 para 1% de borracha adicionada e 068 para cada 1% de óleo. A Figura 3b indica ue as misturas contendo proporções baixas de borracha e de óleo não atendem ao critério da especificação Superpave para m(60), mas a região em ue figuram tais composições é menor ue a observada para S(60). Como tanto o efeito da proporção de borracha uanto o da proporção de óleo têm intensidades similares, conforme indicado pela Figura 3a, as curvas de nível são praticamente paralelas ao lado borracha-óleo do triangulo, o ue significa ue a borracha pode ser substituída pelo óleo sem nenhum prejuízo em termos de dissipação de energia. Como indica a Figura 4a, a temperatura de especificação aumenta (o valor absoluto diminui) linearmente com o aumento da proporção de asfalto e diminui (o valor absoluto aumenta) linearmente com o aumento das proporções de borracha e de óleo. Os efeitos de ambos os modificadores são positivos na medida em ue elevam a temperatura absoluta na ual o ligante asfáltico trincaria sob efeito térmico segundo o critério da especificação Superpave. O efeito da proporção de borracha é maior ue o da proporção de óleo: a temperatura de especificação aumenta 8 C para cada 1% de borracha adicionada e aumenta 0,34 C para cada 1% de óleo. É suficiente 12,5% de borracha para aumentar o PG do ligante asfáltico em um grau e 17,6% de óleo é suficiente para provocar este mesmo efeito. Taxa de relaxação 22 C 0,60 0,55 0,50 5 0 0,35 0,30 Efeitos dos componentes 0,25 0,2 0,1 0,1 0,2 Desvio da mistura de referência em proporção (a) Componente Temperatura: 1 Tempo: 1 Superfície de resposta m[60] 22 C 0 3 Figura 3 (a) Efeitos dos componentes; (b) superfície de resposta para a taxa de relaxação, m(60), a 22 C, para 170 C e 90 min, condição ( 1, 1). 6 1,0 0,32 0,34 0,37 0,52 9 0,6 (b)

EFEITOS DA BORRACHA MOÍDA E DO RESÍDUO DE ÓLEO DE XISTO... 171 16 Efeitos dos componentes Superfície de resposta Tesp TB PG (ºC) Tespec TB PG ( C) 20 24 28 32 Componente Temperatura: 1 Tempo: 1 1,0 21 24 27 33 36 0,2 0,1 0,1 0,2 36 0,6 30 Desvio da mistura de referência em proporção (a) (b) Figura 4 (a) Efeitos dos componentes; (b) superfície de resposta para a temperatura de especificação a baixas temperaturas, T esp BT, a 22 C, para 170 C e 90 min, condição ( 1, 1). 500 S(60) previsto (MPa) 400 300 200 100 y = 1,0837x 2 R = 0,9707 0 0 100 200 300 400 500 S(60) observado (MPa) Figura 5 Euivalência entre valores previstos e observados para a rigidez, S(60), a 22 C, para 170 C e 90 min, condição ( 1, 1). 0,50 m(60) previsto 5 0 0,35 0,30 y = 1,0432x 2 R = 0,9569 0,25 0,25 0,30 0,35 0 5 0,50 m(60) observado Figura 6 Euivalência entre valores previstos e observados para a taxa de relaxação, m(60), a 22 C, para 170 C e 90 min, condição ( 1, 1).

172 FAXINA et al. 15 Tesp BT previsto ( C) 18 21 24 27 30 y = 1,0071x 2 R = 0,9672 33 33 30 27 24 21 18 15 Tesp BT observado ( C) Figura 7 Euivalência entre valores previstos e observados para a temperatura de especificação a baixas temperaturas, T esp BT, a 22 C, para 170 C e 90 min, condição ( 1, 1). A Figura 4b indica ue é possível obter temperaturas de especificação variando de aproximadamente 35,0 C até aproximadamente 16,5 C. Isto significa ue, ao modificar o ligante asfáltico de base com estes dois modificadores nas faixas empregadas neste estudo, é possível aumentar o grau de desempenho de um ligante asfáltico em três vezes. Como borracha e óleo interagem sinergicamente, ligantes asfálticos com PG mais alto são obtidos se misturas forem compostas com proporções altas de borracha e de óleo. Em função da interação sinérgica entre os dois modificadores, misturas contendo concentrações elevadas de borracha e de óleo (porção inferior da região experimental) apresentam valores menores de S(60) e maiores de m(60) e de T esp BT. Como as análises de efeitos dos componentes e de superfície de resposta indicaram, tanto a borracha uanto o óleo podem contribuir para o aumento da resistência dos ligantes asfálticos à formação de trincas de origem térmica. É importante lembrar ue essas conclusões foram obtidas com base em duas hipóteses: ue S(60) e m(60) são boas ferramentas para detectar a resistência atribuída ao ligante asfáltico sobre a resistência à formação de trincas de origem térmica das misturas asfálticas e ue os critérios para temperaturas baixas da especificação Superpave para ligantes asfálticos, desenvolvidos para ligantes asfálticos não-modificados, podem detectar a resistência à formação de trincas de origem térmica de ligantes asfalto-borracha. Conclusões Esta pesuisa teve por objetivo avaliar os efeitos da borracha moída e do resíduo de óleo de xisto na composição de ligantes asfalto-borracha usando a técnica estatística de experimentos com misturas. Medidas de rigidez e de taxa de relaxação, a baixas temperaturas, foram obtidas usando o reômetro de flexão em viga nas temperaturas de 16, 22, 28 e 34 C. Com base nos dados obtidos, foram ajustados modelos para a rigidez, a taxa de relaxação e a temperatura de especificação sob baixas temperaturas. Gráficos de efeitos dos componentes e superfícies de resposta foram usados para avaliar os efeitos individuais dos componentes e os seus efeitos de interação sobre a resposta e para selecionar composições apropriadas de asfalto, borracha e óleo a fim de compor ligantes asfalto-borracha ue atendam ao limite da especificação Superpave para baixas temperaturas. Da análise dos efeitos dos componentes, as seguintes conclusões podem ser extraídas: O aumento das proporções de borracha e de óleo reduz S(60), o ue leva a maior resistência à formação de trincas de origem térmica. S(60) diminui à medida ue aumentam as proporções de borracha e de óleo, com tendência aproximadamente linear, o ue leva a maior resistência a trincas térmicas. O efeito da borracha é mais intenso ue o do óleo: a borracha reduz S(60) em 14,5 MPa para cada 1% adicionado e o óleo reduz S(60) em 6,6 MPa para cada 1% adicionado. O aumento das proporções da borracha moída e de resíduo de óleo de xisto aumenta m(60), o ue é vantajoso no ue se refere à dissipação de energia a baixas temperaturas. A intensidade com a ual o óleo afeta m(60) é ligeiramente maior ue a da borracha: m(60) aumenta 060 para 1% de borracha adicionada e 068 para cada 1% de óleo. A temperatura de especificação diminui (o valor absoluto aumenta) linearmente com o aumento das proporções de borracha e de óleo. Os efeitos de ambos os modificadores são positivos na medida em ue elevam a temperatura absoluta na ual o ligante asfáltico trincaria

EFEITOS DA BORRACHA MOÍDA E DO RESÍDUO DE ÓLEO DE XISTO... 173 sob efeito térmico segundo o critério da especificação Superpave. O efeito da proporção de borracha é maior ue o da proporção de óleo: a temperatura de especificação aumenta 8 C para cada 1% de borracha adicionada e aumenta 0,34 C para cada 1% de óleo. É suficiente 12,5% de borracha para aumentar o PG do ligante asfáltico em um grau e 17,6% de óleo é suficiente para provocar este mesmo efeito. Da análise das superfícies de resposta, as seguintes conclusões podem ser extraídas: Misturas contendo proporções baixas de borracha e concentrações de baixas a intermediárias de óleo não atendem ao critério da especificação Superpave para S(60) a 22 C. Misturas contendo proporções baixas de borracha e de óleo não atendem ao critério da especificação Superpave para m(60), mas a região em ue figuram tais composições é menor ue a observada para S(60). Como tanto o efeito da proporção de borracha uanto o da proporção de óleo têm intensidades similares, as curvas de nível são praticamente paralelas ao lado borracha-óleo do triângulo, o ue significa ue a borracha pode ser substituída pelo óleo sem nenhum prejuízo em termos de dissipação de energia. É possível obter temperaturas de especificação variando de aproximadamente 35,0 C até aproximadamente 16,5 C. Isto significa ue, ao modificar o ligante asfáltico de base com estes dois modificadores nas faixas empregadas neste estudo, é possível aumentar o grau de desempenho de um ligante asfáltico em três vezes. Como borracha e óleo interagem sinergicamente, ligantes asfálticos com PG mais alto são obtidos se misturas forem compostas com proporções altas de borracha e de óleo. Em função da interação sinérgica entre os dois modificadores, misturas contendo concentrações elevadas de borracha e de óleo (porção inferior da região experimental) apresentam valores menores de S(60) e maiores de m(60) e de Tesp BT. Agradecimentos Os autores agradecem à SIX-Petrobras, pelo fornecimento do óleo de xisto, ao Cenpes-Petrobras, pela disponibilização do laboratório para a preparação das amostras e realização de ensaios, à Artgoma S.A., pelo fornecimento da borracha moída, e à FAPESP, pela concessão de bolsa de doutorado ao primeiro autor. Referências Bibliográficas ANDERSON, D. A.; KENNEDY, T. W. Development of SHRP binder specification. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, v. 62, p. 481-507, 1993. ANDERSON, D. A. et al. Low-temperature thermal cracking of asphalt binders as ranked by strength and fracture properties. Transportation Research Record, n. 1766, p. 1-6, 2001. BAHIA, H. U. et al. The bending beam rheometer: a simple device for measuring low-temperature rheology of asphalt binders. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, v. 61, p. 117-153, 1992. BAHIA, H. U.; ANDERSON, D. A. Strategic highway research program binder rheological parameters: background and comparison with conventional properties. Transportation Research Record, Washington, n. 1488, p. 32-39, 1995. CHRISTENSEN Jr., D. W.; ANDERSON, D. A. Interpretation of dynamic mechanical test data for paving grade asphalt cements. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, v. 61, p. 67-116, 1992. CORNELL, J. A. Experiments with mixtures: design, models, and the analysis of mixture data. 3 rd ed. New York: John Wiley. 2002. STROUP-GARDINER, M. et al. Characterizing properties of asphalt cement at cold temperatures. Transportation Research Record, n. 1545, p. 59-66, 1996.