DURABILIDADE DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS NOVAS MISTURAS ASFÁLTICAS COM CAPs DE MAIOR CONSISTÊNCIA Marcos Chacur Centro de Pesquisas e Desenvolvimento da Petrobras
Por que utilizar misturas asfálticas com CAPs de módulo elevado? Evitar deformações permanentes no pavimento causadas pela combinação cargas elevadas / altas temperaturas; Proteger a estrutura do pavimento, promovendo uma melhor distribuição das cargas oriundas do tráfego nas camadas inferiores; Possibilitar a construção de pavimentos mais duráveis ( pavimentos perpétuos ), que podem ter vida útil de mais de 50 anos;
Aumento da frota / carga / deficiência na fiscalização de caminhões nas estradas brasileiras; Projetados para ocorrência de trincas de cima para baixo; Elevada resistência à fadiga pequenas deformações; Superfície de rolamento do pavimento renovável; Superfície de rolamento regular, proporcionando segurança para o tráfego de veículos; Menores custos de recuperação (camada de rolamento).
Entendendo os tipos de deformação permanente Deformação causada por problemas de dimensionamento deficiência da base Deformação causada por problemas de dosagem ou materiais
Exemplo de deformação permanente causada por falha na mistura asfáltica
Penetração (0,1mm) FRANÇA 1966 120 100 80 60 40 20 0 80/1001 60/70 2 40/50 3
- Eliminação das trilhas de roda; - Construção de bases asfálticas mais rígidas; - Uso de maiores teores de ligante e menor volume de vazios não acarretaram trincas térmicas ou por fadiga
Especificação Européia - EN 13924:2006 CARACTERÍSTICAS Classe 2 Classe 3 Penetração (100g, 5s, 25 C), 1/10 mm 15-25 10-20 Ponto de amolecimento, ºC 55-71 58-78 Ponto de ruptura Fraass, ºC 0 3 Ponto de Fulgor, ºC 235 245 Viscosidade Dinâmica a 60ºC, P 5500 7000 Viscosidade cinemática 135ºC, cst 600 700 Indice de susceptibilidade térmica 0,7 a -1,5-1,5 Solubilidade em tricloroetileno, %m/m 99,0 Efeito do calor e do ar (RTFOT) a 163 C, 85 min Variação em massa, %m/m 0,5 Penetração retida, % 55 Aumento de ponto de amolecimento, ºC 2 a 8 10
Mercado de CAP na França 2006 em milhões de toneladas Demais consistêcias 1,5 50% CAP 35/50 0,9 30% Fonte: GPB - Groupement Professionnel des Bitumes CAPs 10/20, 15/25, 20/30 0,6 20%
Azalt 20/30 HM BITUME ROUTIER (NF EN 12591) POUR BETON BITUMINEUX À MODULE ÉLEVÉ
Ganhos Redução de espessura melhor susceptibilidade térmica
Especificação de C Fix Shell Ensaios C-Fix Penetração a 25 C, 100g, 5s, 1/10mm 5-6 Penetração a 40 C, 100g, 5s, 1/10mm 15-18 Ponto de amolecimento, ºC 84-88 Viscosidade Brookfield, cp 150 C 160 C 170 C 1500 900 400
Mistura de módulo elevado NF P 98-141 EME camada de base de módulo elevado com CAP 10/20, com boa resistência à fadiga para proteção do subleito. BBME camada de revestimento de módulo elevado, graduação de 0/10 ou 0/14 - continua, com teor de passante em 2 mm entre 28 e 40%, com espessuras de 6 a 9 cm, são constituídas por 5 a 6% de ligante duro ou modificado por polímeros olefínicos ou asfaltita e fibras
ESTADOS UNIDOS Pavimentos perpétuos } Zona 10 de alta compressão 3 a 7,5 cm SMA, CPA ou CA a 15 cm Camada com ligante de alto módulo Máxima tensão de tração Camada de fadiga material flexível 7 a 10 cm Base do pavimento
Deformação Conceito de vida de fadiga x deformação Alto teor de asfalto Vida de fadiga infinita Baixo teor de asfalto Vida de fadiga
E no Brasil CAPs especificados: CAP 30/45 e CAP 50/70
CENPES tem participado de diversas pesquisas desde ano 2000,utilizando produtos não comerciais resíduos pesados de refinarias ou ligantes modificados
UFRJ Comparação de dois ligantes: RASF REDUC (pen 9), PG 82-10 e asfalto modificado por EVA (pen 25), PG 76-16 Mistura contendo RASF apresentou melhor comportamento à fadiga do que a mistura com ligante modificado, além de se enquadrar nas especificações francesas de deformação permanente
UFSC RV de alta severidade da REVAP (pen 10) execução dos ensaios das especificações francesas Resultados promissores na resistência à fadiga e à deformação permanente, atendendo às normas francesas
USP / UFRJ Testes em campo, em parceria com concessionárias, com ligantes modificados Testes em andamento
UFRGS Ensaios de laboratório e de campo (simulador de tráfego) comparando as propriedades de asfalto convencional x asfalto duro modificado por asfaltita Ganhos na deformação permanente, módulo resiliente, resistência à tracão, susceptibilidade térmica e vida de fadiga
Fonte: Rohde et al, 2008
CENPES 2005 iniciou-se um estudo para avaliar o potencial dos petróleos usuais em produzir CAPs mais consistentes, atendendo especificações europeias. Não é qualquer petróleo que se enquadra nestas especificações Inicialmente os resíduos obtidos foram em pequena quantidade permitindo apenas avaliação parcial, não permitindo o estudo da resistência ao envelhecimento dos ligantes obtidos. Verificou-se enquadramento parcial nas especificações francesas de asfaltos duros com resíduos oriundos de petróleos Jubarte, Árabe Leve e Marlim
DESTILADOR MOLECULAR - UNICAMP
CARGAS PARA DESTILAÇÃO MOLECULAR Resíduos dos petróleos Barracuda e Jubarte, obtidos por Destilação Fracionada de Petróleos ASTM D 2892 e Destilação de Resíduos de Petróleos e ASTM D 5236, obtidos a temperaturas de 400ºC. Estas cargas foram submetidas a diferentes cortes a temperaturas de até 701+ºC.
CONCLUSÕES Na segunda fase deste projeto a unidade foi modificada permitindo obtenção de maior quantidade de amostra, então todos ensaios das especificações foram realizados: As variações em massa viscosidade, penetração e ponto de amolecimento após o envelhecimento RTFOT indicaram que a resistência ao envelhecimento dos resíduos avaliados é satisfatória A susceptibilidade térmica dos resíduos melhora na medida em que a temperatura de corte aumenta, chegando a valores de IST próximos a zero até mesmo positivos Apenas o resíduo Jubarte 584+ se enquadrou na classe 2 das especificações européias de CAP duros
CONCLUSÕES Os resíduos Jubarte 622+, Jubarte 659+ e Barracuda 622+ se enquadraram na classe 4 Através de interpolações no programa Asfalto BR verificou-se que resíduo obtido de petróleo Jubarte, se enquadraria na classe 3 na temperatura de corte de 600ºC Através de interpolações no programa Asfalto BR verificou-se que o resíduo obtido a partir do cru Barracuda na temperatura de corte de 680+ deve, provavelmente, se enquadrar especificações de C Fix.
TESTES DE PRODUCÃO DE CAPs DUROS EM REFINARIA Uma amostra de CAP duro produzido a partir de um Resíduo de Vácuo RV Duas amostras de CAPs duros produzidos a partir de Resíduo de Desasfaltação denominados RASF A e RASF B
ENSAIOS DA ESPECIFICAÇÃO EUROPEIA Ensaios Classe 2 Classe 3 RASF 1 RASF 2 RV Penetração (100g, 5s, 25 C), 1/10 mm 15-25 10-20 10 16 21 Ponto de amolecimento, ºC 55-71 58-78 69,2 63,4 57,1 Ponto de ruptura Fraass, ºC 0 3 Ponto de Fulgor, ºC 235 245 >250 >250 >250 Viscosidade Dinâmica a 60ºC, P 5500 7000 97399 Viscosidade cinemática 135ºC, cst Indice de susceptibilidade térmica Solubilidade em tricloroetileno, %m/m 600 700 >1800 >900 >650 0,7 a - 1,5-1,5-0,49-0,67-1,34 99,0 >99,0 >99,0 >99,0 Após RTFOT Variação em massa, %m/m 0,5-0,092-0,07 Penetração retida, % 55 >80 50 Aumento de ponto de amolecimento, ºC 2 a 8 10 5,5 7,6 Classe 2 3 3 3 2
ENSAIOS DA ESPECIFICAÇÃO SUPERPAVE Ensaios RASF 1 RASF 2 RV Viscosidade Brookfield a 135 C, cp, 300 cp min Cisalhamento dinâmico 10 rad/s, Temp, C cujo G*/senδ 1,0 kpa Variação de massa, % m/m Cisalhamento dinâmico 10 rad/s, Temp, C cujo G*/senδ 2,2 kpa 1902 903 675 88 76 76 1,12 1,86 1,00 RTFOT a 163 C, 85 min -0,092-0,070-0,002 82 82 70 4,36 2,67 3,58
ENSAIOS DA ESPECIFICAÇÃO SUPERPAVE Ensaios RASF 1 RASF 2 RV Cisalhamento dinâmico 10 rad/s, Temp, C cujo G*senδ 5 MPa (S) Cisalhamento dinâmico 10 rad/s, Temp, C cujo G*senδ 6 MPa (H/V) Fluência em viga, Temp, C PAV a 100 C, 2,1 MPa, 20 horas 43 40 34 3,97 4,18 4,44 40 40 34 5,67 4,18 4,44 0-6 S = 300 MPa; máx. 122 <300 m = 0,3; mín. 0,343 >0,3 SUPERPAVE PG 82 76-10 70-16 PG, Trugrade 87 80-10 74-16
ENSAIOS MECÂNICOS EM MISTURAS ASFÁLTICAS Foram executados ensasios de Módulo Dinâmico, Flow Number, determinação da vida de fadiga e Deformação Permanente no Simulador francês LCPC.
Módulo Dinâmico (E*) Ensaio de carga uniaxial de compressão, senoidal, executado em CPs cilíndricos Executado em 2 temperaturas (25 e 60 ) e seis frequências (20, 10, 5, 1, 0,5, 0,2 Hz)
Flow Number Ensaio uniaxial de carga repetida (carga de 0,1 s e 0,9 s de repouso), tipo haversine (tensão = 204 kpa) Temperatura do ensaio: 60 C FN ciclo onde a taxa de deformação plástica é mínima N, deformações e tendência a formação de trilhas de roda.
Deformação permanente Placas compactadas no compactador de pneus (50x18x5cm) Temperatura do ensaio: 60 C Duração do ensaio: 30000 ciclos Pressão do pneu: 6 bar Velocidade: 1 Hz Carga aplicada pelo pneu: 5.000 N
Diretrizes francesas limitam a def. permanente em 10,0%; Na Europa, para tráfego pesado o limite máximo é de 5,0%
Fadiga Carga do tipo haversine Deformação controlada (300 e 600 microstrains) Temperatura do ensaio: 25 Tempo de aplicação de carga de 0,1 s e 0,9 s de repouso Controle misto: deformação + tensão
Carga, N Deslocamento plástico, mm 14000 12000 10000 Amplitude de carga 2 1.5 1 8000 0.5 6000 4000 Ruptura N 50% 0-0.5 2000 Deformação plástica -1 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000-1.5 Ciclos, N
Resultados dos ensaios de módulo dinâmico, Flow Number e deformação permanente CAPs duros CAP 50/60 25 C 60 C E* @ 10Hz Ângulo de fase, E* x sen delta E* @ 5Hz Ângulo de fase, E* / sen delta FN DP (%) 6236 23,8 2516,5 228 28,8 473,3 78 10,4 CAP Modificado Alto Módulo II 25 C 60 C E* @ 10Hz Ângulo de fase, E* x sen delta E* @ 5Hz Ângulo de fase, E* / sen delta FN DP (%) 9180 18,6 2928,0 683 30,0 1366,0 526 3,2 RASF 1 25 C 60 C E* @ 10Hz Ângulo de fase, E* x sen delta E* @ 5Hz Ângulo de fase, E* / sen delta FN DP (%) 12679 10,8 2375,8 1346 30,8 2628,7 3828 3,2 RV 25 C 60 C E* @ 10Hz Ângulo de fase, E* x sen delta E* @ 5Hz Ângulo de fase, E* / sen delta FN DP (%) 11767 14,1 2866,6 682 31,5 1305,3 489 5,2 RASF 2 25 C 60 C E* @ 10Hz Ângulo de fase, E* x sen delta E* @ 5Hz Ângulo de fase, E* / sen delta FN DP (%) 122224 11,90 25203,1 675 35,2 1171,0 255 5,6
Resultados dos ensaios de módulo dinâmico, Flow Number e deformação permanente CAPs convencionais CAP 30 25 C 60 C E* @ 10Hz Ângulo de fase, E* x sen delta E* @ 5Hz Ângulo de fase, E* / sen delta FN DP (%) 12455 18,3 3910,8 639 32,6 1186,0 376 5,9 CAP 45 25 C 60 C E* @ 10Hz Ângulo de fase, E* x sen delta E* @ 5Hz Ângulo de fase, E* / sen delta FN DP (%) 7317 23,5 2917,6 309 24,4 748,0 143 12 CAP 50 25 C 60 C E* @ 10Hz Ângulo de fase, E* x sen delta E* @ 5Hz Ângulo de fase, E* / sen delta FN DP (%) 6097 22,9 2372,5 262 30,3 519,3 99 8 CAP 70 25 C 60 C E* @ 10Hz Ângulo de fase, E* x sen delta E* @ 5Hz Ângulo de fase, E* / sen delta FN DP (%) 5532 25,5 2381,6 225 24,5 542,6 108 12
N (Número de ciclos) Vida de Fadiga - Deformação controlada 1000000 100000 10000 1000 100 100 1000 Deformação (ms) CAP 30 CAP 45 CAP 50 CAP 70 Modificado alto módulo I Modificado Alto módulo II RASF 1 RV RASF 2
COMENTÁRIOS FINAIS A demanda pela utilização de CAPs com maiores consistências é uma realidade (no Estado de São Paulo foi solicitado pela FIESP à Petrobras o estreitamento da faixa do CAP 50/70, diminuindo seu limite superior para 60 * 0,1mm); Os CAPs produzidos diretamente nas refinarias atenderam aos requisitos da norma europeia, enquadrando-se nas clases 2 ou 3; As misturas produzidas com estes CAPs apresentaram bons resultados com relação às suas resistências à deformação permanente, tanto no ensaio de Flow Number quanto no simulador francês; As vidas de fadiga apresentaram valores excelentes, superando asfaltos menos consistentes e até mesmo, modificados;
COMENTÁRIOS FINAIS Está em fase de planejamento, juntamente com a concessionária NovaDutra CCR, a construção de um trecho experimental com asfalto duro não modificado, na Rodovia Presidente Dutra; A Petrobras está em fase de projeto / planejamento a fim de avaliar a produção e comercialização de CAPs com módulo elevado (ajustes em refinarias, reulamentação junto à ANP e IBP) A utilização do CAP de alto módulo permitirá a execução de pavimentos mais duráveis, proporcionando mais segurança aos usuários, por um maior período; Devido aos maiores intervalos entre os recapeamanetos, o meio ambiente será beneficiado, utilizando-se menores quantidades de agregados minerais e energia para a recuperação da rodovia.
Obrigado! mchacur@petrobras.com.br Telefone: (21) 3865-2044