Comportamento de ligantes modificados com borracha

O mesmo autor recomenda os ensaios tradicionais de caracterização dos ligantes asfálticos para caracterizar as misturas com borracha: ponto de amolecimento, ductilidade, tenacidade, viscosidade absoluta etc.

Tabela 3.2 – Especificações para misturas com faixas granulométricas da Flórida Fonte: FHWA/USDOT (1995)

Especificação Flórida - Tipo A Flórida - Tipo B Flórida - Tipo C

% mínimo de borracha 5 12 20

tipo de asfalto AC - 30 AC - 30 AC - 20

temperatura mín. mistura (ºC) 149 149 168

temperatura máx. mistura (ºC) 168 177 190

tempo de mistura 10 15 30

massa específica (15 ºC) 1,03 g/cm³ 1,04 g/cm³ 1,05 g/cm³ viscosidade mínima (poises) 4 a 148ºC 10 a 148ºC 15 a 176ºC

A ASTM 6114-97 especifica característica físicas para ligantes modificados com borracha de pneus, apresentadas na Tabela 3.3. Com relação aos tipos I, II e III de AB, a escolha deve ser feita em relação à temperatura da área alvo do projeto. O Tipo I (ligante mais rígido) é recomendado para temperaturas médias entre –1 e 43ºC (ou maiores). O segundo tipo é aplicável em áreas onde a temperatura varia entre –9 e 43ºC e o tipo III em áreas com temperaturas entre –9 e 27ºC (ou menores).

Tabela 3.3 – Características especificadas para ligantes modificados com borracha de pneus Fonte: ASTM 6114-97

Especificação Tipo I Tipo II Tipo III

viscosidade aparente 175ºC (cP) mín. 1500 1500 1500

penetração, 25ºC, 100 g, 5 s (¹/10mm) 25-75 25-75 50-100 penetração, 4ºC, 200 g, 60 s (¹/10mm) mín. 10 15 25

ponto de amolecimento (ºC) mín. 57,2 54,4 51,7

ponto de fulgor (ºC) mín. 232,2 232,2 232,2

ser um material termo-sensível, ou seja, sua consistência varia consideravelmente com a temperatura. Assim, o estudo reológico dos ligantes asfálticos para uma amplitude de temperaturas de -28ºC a temperaturas superiores a 60ºC caracteriza o seu comportamento em serviço (temperaturas dependentes da região). Portanto, o comportamento elástico, viscoelástico e viscoso do betume são funções da temperatura e do tempo de aplicação do carregamento.

No Brasil, os asfaltos são classificados pelo ensaio de penetração, em 1/10 mm (CAP 30/45, 50/60 e 85/100) ou pelo ensaio de viscosidade a 60ºC (em poise) (CAP 7, 20 e 40).

Os cimentos asfálticos são exemplos de materiais ou fluídos Newtonianos, ou seja, possuem relação linear entre a tensão e a taxa de cisalhamento. Fluídos Não-Newtonianos, por sua vez apresentam viscosidade dependente da taxa de cisalhamento, sendo assim, a viscosidade determinada para uma taxa será diferente para outra. Exemplos destes materiais são os asfaltos modificados por polímeros e o asfalto-borracha.

Em 1987, nos Estados Unidos, iniciou-se a pesquisa SHRP (Strategic Highway Research Program); a maior pesquisa já desenvolvida para a obtenção de uma metodologia de projeto de misturas asfálticas fundamentada no desempenho esperado in situ. Como parte integrante da pesquisa SHRP foi desenvolvido o sistema SUPERPAVE^TM (Superior Performing Asphalt Pavements), o qual consiste em um conjunto de ensaios de laboratório tanto para os componentes da mistura (ligantes e agregados), quanto para a mistura estabelecida (AI, 1994;

AI, 1995b).

No sistema SUPERPAVE^TM a escolha do ligante asfáltico é feita em função do seu desempenho (PG – Performance Grade) sob condições climáticas e de tráfego especificas. O grau de desempenho é apresentado por dois valores, de alta e de baixa temperatura, por exemplo, um ligante com PG 70-10, possui propriedades físicas adequadas entre –10ºC e 70ºC. Além disso, devem ser feitas considerações adicionais em termos de condições de tráfego (volume e tempo de aplicação de carga) selecionando um ligante com PG superior ao especificado.

O sistema SUPERPAVE^TMrecomenda os seguintes ensaios para caracterizar as propriedades fundamentais dos ligantes: Viscosidade Rotacional, Reometria de Cisalhamento Dinâmico, Envelhecimento de curto prazo (RTFOT), Envelhecimento de longo prazo (PAV), Reometria de Flexão e Ensaio de Tração Direta.

Com relação a sensibilidade à água não há ensaios específicos para o ligante, tendo-se proposto o Ensaio de Efeito Deletério da Água (AASHTO T 283-89) para avaliar combinações asfalto-agregado quanto a problemas de adesividade.

Apesar de todo desenvolvimento tecnológico que cerca a metodologia SUPERPAVE^TM, existem críticas a respeito de se prever o comportamento de misturas asfálticas baseado apenas em características dos ligantes. Nesta linha de raciocínio Wegan e Brulé (1999) estudaram o comportamento de asfaltos modificados com polímero (SBS e EVA) e observaram a importância da interação asfalto-polímero-agregado no comportamento mistura.

A interação entre o ligante e o agregado só pode ser analisada em ensaios com composições de CBUQ.

Troy et al. (1996) realizaram juntamente com o Departamento de Transportes de Nevada um estudo para constatar se as metodologias propostas pelo SHRP poderiam ser aplicadas para caracterização de misturas com CRM, bem como uma avaliação do método de Hveem⁴ para uso com AB. Os pesquisadores estabeleceram as seguintes conclusões: (1) existe uma forte influência das partículas sólidas de borracha nos procedimentos de ensaio (principalmente partículas maiores que 0,84 mm); (2) a metodologia Hveem pode ser utilizada para projeto de misturas asfálticas contendo AB, entretanto, os autores propõem uma nova metodologia de compactação – o corpo-de-prova deve ser compactado em duas camadas; (3) o desempenho observado nos ensaios de módulo de resiliência e deformações plásticas indicaram um melhor desempenho das misturas com AB.

Leite (1999) e Leite et al. (2000) investigaram em laboratório as propriedades dos ligantes modificados com três tipos de polímeros diferentes: 4 % de SBS (estireno-butadieno-estireno), 20 % CR (crumb rubber) e 4 % de EVA (etileno acetato de vinila), além do ligante CAP 20 e obtiveram os resultados apresentados na Tabela 3.4. Podem ser observadas melhorias nas características elásticas do ligante com a adição de polímeros, principalmente da borracha, sendo seu PG o que abrange uma maior amplitude de temperaturas. Este resultado confirma o bom desempenho do AB em condições climáticas adversas.

4 Maiores informações sobre a Metodologia Hveem de dosagem de misturas asfálticas são apresentadas por AI (1995a)

Tabela 3.4 – Resultados da caracterização reológica dos ligantes Fonte: Leite et al. (2000)

Ligante testado → CR SBS EVA CAP 20

compatibilidade, 48 h, 163ºC, ∆ ºC 5 0,8 1,3 -

penetração a 25ºC, 100 g, 5 s, ¹/10mm 50 58 54,2 53

penetração a 4ºC, 200 g, 60 s, ¹/10mm 18 - - -

resiliência a 25ºC, % 56 - - -

viscosidade Brookfield a 135ºC, cP 2900 954 925 450

cisalhamento dinâmico: G */ sen δ, ºC 88 76 70 64

Após RTFOT

cisalhamento dinâmico: G */ sem δ, ºC 82 70 76 70

recuperação elástica a 25ºC, % 85 90 47 < 20

penetração a 4ºC, 200 g, 60 s, ¹/10mm 14 - - -

ponto de amolecimento, ºC 69 60 67,7 52

Após RTFOT / PAV

cisalhamento dinâmico: G */ sen δ, ºC 13 19 22 28

reômetro de flexão (BBR) a 60 s, ºC -18 -12 -12 -6

intervalo plástico, ºC 110 92 92 80

PERFORMANCE GRADE 82 – 28 70 – 22 70 – 22 64 – 16 Nota: CR – Crumb Rubber

Oda e Fernandes Jr. (2000) avaliaram o ligante CAP 20 enriquecido com vários teores de borracha (6, 12, 18 e 24 % em duas granulometrias # 40 e 50) com ensaios tradicionais das especificações brasileiras e com os ensaios da especificação SUPERPAVE^TM. Foram adotadas como temperaturas de mistura ligante/borracha 160 e 170ºC. As Figuras 3.3 e 3.4 apresentam os efeitos do teor de borracha (encontrado como mais importante) nas propriedades reológicas diretamente relacionadas com as principais formas de deterioração estrutural de uma mistura asfáltica. Pode se observar que as misturas com os maiores teores de borracha apresentam os maiores valores de G */ sen δ , ou seja, são mais resistentes ao acumulo de deformações permanentes. Também apresentam valores de ângulo de fase (δ, delta) decrescente com o teor de borracha, o que significa um aumento da resistência à formação de trincas por fadiga no pavimento (devido a maior elasticidade do ligante).

Figura 3.3 – Efeito do teor de borracha na resistência ao acúmulo de deformação permanente Fonte: Oda e Fernandes Jr. (2000)

Figura 3.4 – Efeito do teor de borracha no ângulo de fase, δ

Fonte: Oda e Fernandes Jr. (2000)

Daly e Meguescu (1997) avaliaram os efeitos da adição de duas granulometrias de borracha em misturas com dois cimentos asfálticos (AC-5 a AC-30). Os autores constataram que as propriedades mecânicas do asfalto-borracha são influenciadas pela granulometria da borracha, composição química do asfalto e quantidade de pó de borracha adicionado. Os autores verificaram compatibilidade e interação, apenas para aquelas misturas feitas com a menor granulometria.

Bahia e Davies (1995) realizaram um estudo de laboratório para avaliação dos parâmetros de resposta baseados nas especificações da pesquisa SHRP. Como fatores controláveis foram

a) b)

Teor de borracha em massa Teor de borracha em massa

Viscosidade Rotaciona (Pa.s) Viscosidade Rotaciona (Pa.s)

Temperatura (^oC)

eleitas a fonte e a quantidade de CRM (três tipos de produção: cisalhamento, criogenia e extrusão, e teores entre 0 a 25 % em relação à massa de asfalto), tipos de asfalto (dois tipos, 200/300 pen e AR-2000) e a temperatura de ensaio. Na Figura 3.5 são apresentados os resultados típicos da influência do percentual de borracha e da temperatura na viscosidade do ligante, sendo que as análises ANOVA apresentadas, denotam o fator controlável percentual de borracha como principal.

Figura 3.5 – Relação entre viscosidade, % de borracha e temperatura Fonte: Bahia e Davies (1995)

Para os demais parâmetros medidos ( G*/senδ, G*senδ e creep) aparecem como fatores significativos: a temperatura, seguida do percentual de borracha e do tipo de asfalto. A influência do processo de obtenção de CRM é desprezível, quando comparado às outras variáveis estudadas.

Roberts et al. (1989) apresentam uma comparação entre o AB produzido com dois resíduos de borrachas vulcanizadas e desvulcanizadas. Na Figura 3.6 é apresentada a relação entre o percentual de borracha adicionada e a viscosidade para os dois materiais.

a)

Figura 3.6 – Efeito do teor de borracha na viscosidade do AB Fonte: Roberts et al. (1989)

Liang e Lee (1996) avaliaram em laboratório o desempenho de dezoito misturas com CRM. O reômetro de cisalhamento dinâmico e o viscosímetro Brookfield foram utilizados para medição da viscosidade das misturas, observando-se que, quanto menores as granulometrias e maiores os percentuais de CRM, tanto maiores as viscosidades medidas, como apresentado na Figura 3.7 (a) e (b). O envelhecimento do ligante foi testado através do TFOT (Thin Film Oven Test) e os ligantes modificados apresentaram uma menor perda de massa em relação ao ligante convencional. Os ligantes modificados com CRM apresentaram altos valores de G’/G’’ (proporcionalidade entre percentual de CRM e a razão entre G’ e G’’) indicando melhores características elásticas e maiores resistências à deformação permanente. Com relação aos ensaios de tração indireta, as misturas com ligante convencional apresentaram maiores diferenças de resultados antes e depois do envelhecimento em relação às misturas com borracha.

0 5 10 15 20 25 30

Rubber added (%) 0

500 1000 1500

Viscosidade (pokes)

Vulcanized

Devulcanized

Borracha adicionada (%)

Desvulcanizada Vulcanizada

Viscosidade (pokes)

Figura 3.7 – Variáveis influentes na viscosidade da mistura AB (a) – relação entre tempo de reação e viscosidade

(b) – suscetibilidade térmica das misturas de AB Fonte: Liang e Lee (1996)

A adição de borracha vulcanizada em ligantes asfálticos amplia a faixa de temperaturas de aplicação, conforme demonstrados por Gowda et al. (1996). A Tabela 3.5 apresenta as classificações, segundo a metodologia SHRP, obtidas a partir da adição de CRM em asfalto convencional (AC-30) a 160ºC por 1 hora.

Tabela 3.5 – Classificação do ligante modificado com CRM Fonte: Gowda et al. (1996)

% borracha vulcanizada Classificação (SHRP)

0 PG 64 - 22

5 PG 70 - 28

10 PG 80 - 28

15 PG 80 - 34

Zanzotto e Kennepohl (1996) estudaram várias formas de incorporação do pó de pneu ao asfalto e concluíram que, com a combinação de altas temperaturas e a agitação ou cisalhamento, as propriedades finais da mistura seriam mais adequadas. Na Figura 3.8 é apresentada a relação entre temperatura e percentual de borracha que não reagiu com o asfalto após 3 horas de mistura (teor adicionado = 25% em massa de ligante).

a) b)

Temperatura (^oF) Tempo de reação (horas)

Viscosidade (cp) Viscosidade (cp)

Figura 3.8 – Relação entre temperatura e percentual de borracha sem reação Fonte: Zanzotto e Kennepohl (1996)

Zamam et al. (1995) testaram sob vários aspectos o comportamento reológico de ligantes asfálticos modificados com diferentes percentuais de borracha (2,5 a 10 %). A melhoria do comportamento do ligante com borracha foi observado em ensaios de viscosidade dinâmica e creep. Pode ser observado, na Figuras 3.9, que as misturas modificadas com borracha, principalmente com os maiores teores, possuem um patamar de viscosidade constante sobre uma amplitude maior de graus de cisalhamento, o que é benéfico do ponto de vista de engenharia. Em relação ao comportamento de creep, também foi observado uma melhoria do AB em relação ao asfalto convencional, conforme mostrado na Figura 3.10.

% Borracha sem reação

Tempo de reação (^oC)

Figura 3.9 – Viscosidade em função do taxa de cisalhamento Fonte: Zamam et al. (1995)

Figura 3.10 – Curvas de creep dos cimentos asfálticos com e sem borracha Fonte: Zamam et al. (1995)

Com relação ao tempo de reação Takallou e Sainton (1992), afirmam que, após um determinado tempo de digestão, ocorre uma alteração na viscosidade do ligante acrescido de borracha, conforme apresentado na Figura 3.11. Essa alteração leva a crer que, após um determinado tempo, o ligante aquecido a altas temperaturas tende a se deteriorar.

Os mesmos autores acreditam que uma das barreiras para utilização do AB é a sua baixa estabilidade à estocagem. Neste sentido, os autores estudaram a possibilidade de adicionar

Tempo (min.)

Deformação (cm/cm) % Viscosidade (Pa.s)

Taxa de cisalhamento (s^-1)

catalisadores e óleos à mistura. Como resultado, os autores conseguiram misturas com muito boa estabilidade, podendo ser estocada por até seis dias sem nenhuma degradação.

Figura 3.11 – Efeito do tempo de digestão na viscosidade do AB Fonte: Takallou e Sainton (1992)