1 Tópicos laboratoriais e/ou exercícios (2. o Parte) Hélio Marcos Fernandes Viana Tema: Ensaios em ligantes asfálticos (2. o Parte) Conteúdo da aula 6 Ensaio ponto de fulgor 7 Ensaio de solubilidade ou ensaio do teor de betume 8 Ensaio de peso específico do ligante asfáltico 9 Ensaio de durabilidade tipo TFOT, ou ensaio da película delgada (ou fina) em estufa, ou ensaio de efeito calor e ar tipo TFOT 10 Ensaio de durabilidade tipo RTFOT, ou ensaio de efeito calor e ar tipo RTFOT 11 Ensaio ponto de ruptura Fraass
2 6 Ensaio ponto de fulgor O ensaio ponto de fulgor é um ensaio relacionado à segurança durante o manuseio com ligante asfáltico, pois o manuseio com ligante asfáltico é comum nas operações: - De transporte do ligante asfáltico; - De estocagem do ligante asfáltico; e - De usinagem ou mistura do ligante asfáltico com os agregados. O ponto de fulgor de um ligante asfáltico representa a menor temperatura, na qual os vapores emanados (ou que surgem) do aquecimento do ligante asfáltico se inflamam (ou pegam fogo) pelo contato com uma chama padronizada. Os valores dos pontos de fulgor dos ligantes asfálticos tipo CAP (cimento asfáltico de petróleo), geralmente, são superiores a 230 o C. O ensaio ponto de fulgor é padronizado pela NBR 11341 / 2004. As principais características do ensaio ponto de fulgor são as seguintes: i) No ensaio, um certo volume de CAP é depositado na cuba (ou recipiente) do vaso de Cleveland, até o volume de CAP alcançar uma marca na cuba; ii) Na sequência do ensaio, o volume de CAP na cuba é aquecido, com um aumento de temperatura do CAP na ordem de 14 a 16 o C por minuto; iii) Quando a temperatura do CAP estiver próxima a 56 o C abaixo do ponto de fulgor estimado para o CAP; Então, a velocidade de aquecimento do CAP na cuba é diminuída para 5 a 6 o C por minuto. OBS. Com base nas especificações do CAP, que vai ser ensaiado, o engenheiro tem previamente uma idéia do ponto de fulgor do CAP. iv) Quando a temperatura estiver mais ou menos 28 o C do ponto de fulgor estimado para o CAP; Então, aplica-se a chama-piloto a cada 2 o C de aquecimento do CAP; v) No ensaio, a chama-piloto deve ser aplicada passando pelo centro da cuba (ou recipiente) que contém o CAP, e o tempo de passagem da chama-piloto é 1 (um) segundo; e vi) Finalmente, aparecendo o primeiro lampejo de fogo, em qualquer ponto da superfície da amostra do CAP durante a passagem da chama-piloto; Então, anota-se a temperatura do CAP no instante do lampejo de fogo, tal temperatura é corresponderá ao ponto de fulgor do CAP. A Figura 6.1 mostra uma foto do equipamento utilizado no ensaio ponto de fulgor, onde se percebe a presença: do vaso Cleveland, da garra do termômetro, da agulha da chama-piloto e etc.
3 Figura 6.1 - Foto do equipamento utilizado no ensaio ponto de fulgor, onde se percebe a presença: do vaso Cleveland, da garra do termômetro, da agulha da chama-piloto e etc 7 Ensaio de solubilidade ou ensaio do teor de betume O ensaio de solubilidade ou do teor de betume é utilizado para medir a quantidade de betume existente no ligante asfáltico. O ensaio de solubilidade indica o grau de pureza do ligante asfáltico, quando o ligante asfáltico é dissolvido em um solvente. Podem ser utilizados no ensaio de solubilidade os seguintes solventes: a) Bissulfeto de carbono; b) Tetracloreto de carbono; e c) Tricloroetileno. As especificações para ligantes asfálticos utilizados em pavimentação requerem que, no mínimo, 99,0 % do ligante asfáltico seja solúvel em tricloroetileno. OBS(s). a) O solvente bissulfeto de carbono é muito tóxico; e b) O solvente tetracloreto de carbono é um solvente mais seguro para se utilizar em laboratório, uma vez que é um solvente não inflamável.
4 As principais características do ensaio de solubilidade ou do teor de betume são as seguintes: i) No ensaio, uma amostra de CAP é dissolvida por um solvente em um recipiente apropriado; ii) Na sequência, é colocado um filtro no recipiente de filtragem (ou cadinho); iii) O recipiente de filtragem (ou cadinho) com o filtro é instalado no topo de um frasco de vidro, que é ligado ao vácuo; iv) Em seguida, a mistura (CAP dissolvido mais solvente) é filtrada, através do recipiente de filtragem (ou cadinho) instalado no topo do frasco ligado ao vácuo; v) A quantidade de material retida no filtro instalado no recipiente de filtragem (ou cadinho) representa as impurezas contidas no CAP ensaiado; e vi) O teor de betume contido no CAP é dado pela seguinte equação: PAM PR TB.(100%) PAM (6.1) em que: TB = teor de betume contido no CAP (%); PAM = peso inicial da amostra de CAP (g); e PR = peso dos resíduos contidos no CAP, os quais ficaram retidos no filtro (g). O ensaio de solubilidade ou teor de betume é padronizado pela NBR 14855 / 2002. A Figura 7.1 mostra a foto do recipiente de vidro utilizado no ensaio de solubilidade, o qual contém uma amostra de CAP dissolvida no solvente tricloroetileno. Figura 7.1 - Foto do recipiente de vidro utilizado no ensaio de solubilidade, o qual contém uma amostra de CAP dissolvida no solvente tricloroetileno
5 A Figura 7.2 mostra uma foto da filtragem do CAP dissolvido no solvente tricloroetileno, através do filtro do cadinho, o qual está instalado no topo do frasco de vidro ligado ao vácuo. Figura 7.2 - Foto da filtragem do CAP dissolvido no solvente tricloroetileno, através do filtro do cadinho, o qual está instalado no topo do frasco de vidro ligado ao vácuo 8 Ensaio de peso específico do ligante asfáltico O peso específico do CAP é importante para dosagem (ou cálculo da composição) da mistura asfáltica ou do CAUQ (concreto asfático usinado a quente). Geralmente, os CAPs têm um peso específico entre 1,00 e 1,02 g/cm 3. O ensaio de peso específico do ligante asfáltico é padronizado pela NBR 6296 / 2004. As principais características do ensaio de peso específico do ligante asfáltico são as seguintes: i) No ensaio, um volume de CAP é determinado com o uso de um frasco de vidro denominado picnômetro; ii) Na sequência, o peso do volume de CAP contido no picnômetro é determinado por meio de uma balança de precisão; e
6 iii) Finalmente, uma vez determinados o volume e o peso da massa do CAP, tem-se que o peso específico do CAP é obtido pela relação entre o peso e o volume do CAP, dada pela seguinte equação: CAP P V CAP CAP (8.1) em que: CAP = peso específico do CAP (g/cm 3 ); P CAP = peso da amostra de CAP contida no picnômetro (g); e V CAP = volume da amostra de CAP contida no picnômetro (cm 3 ). A Figura 8.1 mostra a foto de uma das fases do ensaio; Quando, a 25 o C, está sendo pesado o picnômetro de 25 ml, o qual está preenchido até a metade com a amostra de CAP utilizada no ensaio de peso específico. OBS. 1 ml = 1 mililitro = 10-3 litros = 1 cm 3. Figura 8.1 - Foto de uma das fases do ensaio; Quando, a 25 o C, está sendo pesado o picnômetro de 25 ml, o qual está preenchido até a metade com a amostra de CAP utilizada no ensaio de peso específico
7 9 Ensaio de durabilidade tipo TFOT, ou ensaio da película delgada (ou fina) em estufa, ou ensaio de efeito calor e ar tipo TFOT Sabe-se que além do envelhecimento (oxidação) natural dos CAP(s) ao longo vida de serviço da camada de asfalto do pavimento, também os CAP(s) sofrem envelhecimento (ou oxidação), quando são aquecidos: a) Para serem misturados com os agregados durante a usinagem; b) Para o transporte; c) Para a estocagem; e d) Para a compactação da mistura asfáltica no campo. O ensaio de durabilidade tipo TFOT, ou ensaio da película delgada (ou fina) em estufa, ou ensaio de efeito calor e ar tipo TFOT, é utilizado: a) Na previsão das propriedades do CAP consideradas envelhecidas; e b) Para simular o envelhecimento (ou oxidação) do CAP, que ocorre durante a usinagem (ou fabricação da mistura asfáltica) e durante a compactação da mistura asfáltica no campo. OBS. Oxidação é a reação química do átomo de oxigênio com um átomo ou molécula de outra substância. Com base em dados de Bernucci et al. (2008) constata-se que para um CAP utilizado em um pavimento com 8 (anos) anos de serviço, o maior envelhecimento (ou oxidação) do CAP ocorreu devido à usinagem (ou mistura com os agregados), e não devido a outros fatores, tais como: - Transporte do CAP; - Estocagem do CAP; - Compactação da camada asfáltica no campo; e - Tempo de serviço da camada asfáltica no campo. Um CAP envelhecido (ou oxidado) apresenta as seguintes características: - Perda da elasticidade (ou aumento da rigidez); - Aumento do valor da viscosidade nas temperaturas de ensaio; e - Aumento da fissuração (ou rachaduras) no CAP. A palavra TFOT é obtida das iniciais do nome do ensaio em inglês, que são: Thin Film Oven Test (ou teste da estufa da película fina). O ensaio de durabilidade tipo TFOT, ou ensaio da película delgada em estufa, ou ensaio de efeito calor e ar tipo TFOT é padronizado pela NBR 14736 / 2001.
8 As principais características do ensaio de durabilidade tipo TFOT, ou ensaio da película delgada em estufa, ou ensaio de efeito calor e ar tipo TFOT são as seguintes: i) No ensaio, películas de CAP de 3 mm são colocadas dentro de recipientes padronizados; ii) Na sequência, os recipientes com as películas de CAP são colocados dentro de uma estufa especial durante 5 (cinco) horas, a qual está a uma temperatura de 163 o C; iii) Dentro da estufa especial as películas de CAP são submetidas a jatos de ar; OBS. A temperatura de 163 o C da estufa especial simula aproximadamente a temperatura utilizada na usinagem, ou mistura do CAP com os agregados. iv) A tendência de envelhecimento (ou oxidação) do CAP é aferida por comparação entre: o valor da penetração no CAP após o ensaio, e o valor da penetração no CAP antes do ensaio, conforme a seguinte equação: PF TE (9.1) PO em que: TE = tendência de envelhecimento (ou oxidação) do CAP durante a usinagem (ou mistura do CAP com agregados), e compactação da mistura no campo; P O = penetração na amostra de CAP, antes do ensaio (dmm ou decimilímetros); e P F = penetração na amostra de CAP, depois do ensaio (dmm ou decimilímetros). OBS(s). a) A penetração na amostra de CAP é obtida com base no ensaio de penetração, que é padronizado pela NBR 6576/98; e b) 1 dmm = 1 decimilímetro = 0,1 mm = 10-1 mm. A Figura 9.1 mostra a foto de uma estufa utilizada no ensaio de durabilidade tipo TFOT, ou no ensaio de efeito calor e ar tipo TFOT. Figura 9.1 - Foto de uma estufa utilizada no ensaio de durabilidade tipo TFOT, ou no ensaio de efeito calor e ar tipo TFOT
9 10 Ensaio de durabilidade tipo RTFOT, ou ensaio de efeito calor e ar tipo RTFOT Além do ensaio anterior (ensaio de durabilidade tipo TFOT), existe outro ensaio relacionado ao envelhecimento (ou oxidação) do CAP, o qual é denominado de ensaio de durabilidade tipo RTFOT. A palavra RTFOT é obtida das iniciais do nome do ensaio em inglês, que são: Rolling Thin Film Oven Test (ou teste da estufa da película fina rotativa). O ensaio de durabilidade tipo RTFOT dá uma idéia do envelhecimento (ou oxidação) do CAP quando o CAP sofre aquecimento, que é comum nos processos de: a) Transporte CAP; b) Estocagem CAP; e c) Usinagem (ou mistura do CAP com os agregados para produzir a mistura asfáltica). O ensaio de durabilidade tipo RTFOT, ou ensaio de efeito calor e ar tipo RTFOT é padronizado pela NBR 15235 / 2005; e As principais características do ensaio de durabilidade tipo RTFOT são as seguintes: i) No ensaio, uma amostra de CAP é colocada dentro de um recipiente de vidro, o qual fixado a um disco giratório instalado dentro de uma estufa a 163 o C; ii) Durante 85 minutos a amostra de CAP é girada e submetida a jatos de ar quente a cada 3 ou 4 segundos, cujo objetivo é acelerar a oxidação (ou envelhecimento) da amostra CAP; iii) Na sequência, a amostra de CAP oxidado é retirada da estufa e submetida a outros ensaios, tais como: ensaio de penetração, ensaio ponto de amolecimento, etc; e iv) Finalmente, os resultados dos ensaios realizados com o CAP oxidado são comparados com os resultados dos ensaios realizados com o CAP não oxidado (ou original), e são verificados por exemplo: A queda da penetração do CAP oxidado em relação ao CAP não oxidado (ou original); O aumento do ponto de amolecimento do CAP oxidado em relação ao CAP não oxidado; e O aumento do valor da viscosidade do CAP oxidado em relação ao CAP não oxidado. A Figura 10.1 mostra a foto de uma estufa utilizada no ensaio de durabilidade tipo RTFOT; Pode-se observar no interior da estufa o jato de ar, e o disco giratório onde é fixado o recipiente de vidro com a amostra de CAP, que deverá ser ensaiada.
10 Figura 10.1 - Foto de uma estufa utilizada no ensaio de durabilidade tipo RTFOT 11 Ensaio ponto de ruptura Fraass O ensaio de ponto de ruptura Fraass é um ensaio destinado a qualificar o ligante asfáltico quando submetido à temperaturas negativas. Muitos países de invernos rigorosos, como por exemplo: Canadá, Finlândia, Noruega, Alemanha e Suécia, possuem valores máximos de temperatura Fraass. A temperatura Fraass corresponde a uma temperatura que leva o ligante asfáltico a uma rigidez crítica, a qual resulta em trincamento (ou em rachadura) do CAP. O ensaio ponto de ruptura Fraass mede a temperatura mínima na qual o CAP resiste à flexão. O ensaio de ruptura Fraass é padronizado pela EN 12593 / 2000 (norma da Comunidade Européia). As principais características do ensaio de ruptura Fraass são as seguintes: i) No ensaio, uma placa de aço de 41 mm de comprimento e 20 mm de largura é revestida com uma fina camada de CAP; ii) Na sequência, a placa de aço recoberta com CAP é fixada ao aparelho de Fraass; iii) Então, no aparelho de Fraass, a placa de aço recoberta com CAP é submetida a uma flexão padronizada por norma, e também a placa recoberta de CAP é submetida à temperaturas decrescentes; e iv) Finalmente, quando surge a primeira fissura (ou rachadura) no CAP, que recobre a lâmina de aço, anota-se a temperatura, a qual corresponderá à temperatura Fraass ou ao ponto de ruptura Fraass.
11 A Figura 11.1(a) mostra a foto do equipamento Fraass durante um ensaio; Além disso, na Figura 11.1(b), tem-se um detalhe do ensaio mostrando a lâmina de aço recoberta com CAP sendo flexionada. Figura 11.1 - Foto do equipamento Fraass durante um ensaio, e um detalhe do ensaio mostrando a lâmina de aço recoberta com CAP sendo flexionada Referências bibliográficas BALBO, J. T. Pavimentação asfáltica - Materiais, projeto e restauração. São Paulo - SP: Oficina de Textos, 2007. 558p. (2. o Bibliografia principal) BERNUCCI, L. B.; MOTA, L. M. G.; CERRATTI, J. A. P.; SOARES, J. B. Pavimentação asfáltica - Formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro - RJ: Petrobrás, ou ABEDA (Associação Brasileira das Empresas Distribuidoras de Asfaltos, 2008. 501p. (1. o Bibliografia principal) BAUER, L. A. Materiais de Construção. Vol. 2. 4. ed. São Paulo - SP: Livros Técnicos e Científicos Editora LTDA, 1992. 892p. GIECK, K. Manual de fórmulas técnicas. 3. ed.. São Paulo - SP: Hemus, [198-?]. Paginação personalizada (letras e números) SENÇO, W. Manual de técnicas de pavimentação. Vol. 1. São Paulo - SP: Pini, 2005. 746p
12 SERPA, O. Dicionário escolar Inglês - Português, e Português - Inglês. 7. ed. Rio de Janeiro - RJ: FENAME (Fundação Nacional de Material Escolar), 1975. 1301p. Shell The Shell bitumen handbook. 5. ed. Cambridge. 2003. OBS. [198-?] indica que a década provável de publicação do livro é a década de 80 do século XX.