Lista de símbolos e siglas Símbolos
2.6 Equipamentos de medição das propriedades reológicas do betume
De modo a determinar a viscosidade e a viscoelasticidade dos materiais, em particular do betume, recorre-se a viscosímetros e reómetros, respectivamente. Pelo facto do comportamento reológico do betume variar com a temperatura, este é medido, em diferentes gamas de temperaturas, por equipamentos distintos. Não existindo um único instrumento capaz de avaliar as suas propriedades reológicas em todas as gamas de temperaturas [6].
Na Figura 2.13, apresenta-se um esquema dos vários instrumentos, indicados no sistema Superpave, para a medição das propriedades reológicas do betume, às diferentes temperaturas de serviço e construção.
Figura 2.12 – Modelos mecânicos unidimensionais simples. (a) Modelo de Maxwell; (b) Modelo de Kelvin; (c) Modelo de Burgers [9].
O reómetro de flexão de viga e o ensaio de tracção directa, em terminologia inglesa bending beam
rheometer(BBR) e direct tension testing (DTT) respectivamente, medem as propriedades reológicas do betume às temperaturas de serviço baixas, às quais este se comporta como um material elástico, Figura 2.13 (a). O reómetro de flexão de viga avalia a rigidez do betume pela medição da deformação, a meio vão, de uma viga de betume, sob carregamento e temperatura constantes. O ensaio de tracção directa avalia a ductilidade do betume através da sua capacidade de alongamento antes da ruptura [12]. O reómetro de corte dinâmico, em terminologia inglesa dynamic shear rheometer (DSR), é utilizado para determinar as propriedades reológicas do betume às temperaturas de serviço intermédias e elevadas, pois tem em conta o tempo de carregamento e a temperatura, Figura 2.13 (b) e Figura 2.13 (c). A estas temperaturas o betume comporta-se como um material viscoelástico, utilizando-se o reómetro de corte dinâmico para caracterizar o seu comportamento viscoso e elástico. No DSR o betume é “ensanduichado” entre duas placas paralelas, uma inferior, fixa e com um sistema de controlo de temperatura e outra superior que oscila, pela aplicação de um binário, do ponto A para o B e de seguida no sentido oposto, até ao ponto C, passando novamente ao ponto A, representando assim um ciclo, Figura 2.14. A frequência do ciclo, de acordo com o sistema Superpave, é
10 rad/s
. Deste procedimento medem-se o ângulo de fase, δ, e o módulo de corte complexo, *G [3, 12].
Existem dois tipos de DSR, o de tensão controlada, em que o binário a aplicar na placa superior é fixo, resultando diferentes deformações entre os ciclos, e o de deformação controlada, no qual a placa superior se move entre as extremidades de amplitude na frequência especificada, e o binário necessário para manter esta frequência de oscilação é medido [3, 12].
Figura 2.13 – Equipamentos de medição das propriedades reológicas do betume, às diferentes temperaturas de serviço e construção (modificado de [4]).
(a) (b) (c) (d) Temperatura do pavimento [ºC] Deformações permanentes Fendilhamento por fadiga Fendilhamento por retracção térmica Trabalhabilidade (fabrico & compactação)
O módulo de corte complexo
( )G
* é separado em dois componentes, o módulo de dissipação, ''G , relacionado com a componente viscosa e o módulo de armazenamento, '
G , relacionado com a componente elástica. Ambos relacionam-se através da Equação (2.22). O ângulo de fase,
δ
, relaciona os módulos de dissipação e de armazenamento, Figura 2.15, e traduz a quantidade relativa de deformação recuperável e não recuperável. O ângulo de fase também pode ser compreendido como o desfasamento entre a tensão de corte aplicada e a deformação de corte resultante. Quanto maior o ângulo de fase maior a componente viscosa do betume. Assim, seδ
=90º o material é perfeitamente viscoso e seδ
=0º o material é perfeitamente elástico. No caso dos betumes, como são materiais viscoelásticos, o ângulo de fase está entre 0º e 90º , dependendo do tipo de betume, temperatura e frequência de oscilação da placa superior [3, 12].( ) ( )
2 2* '' '
G = G + G (2.22)
O viscosímetro rotacional, em terminologia inglesa rotational viscometer (RV), é utilizado na medição das propriedades reológicas do betume às temperaturas de construção (temperaturas de fabrico e compactação), Figura 2.13 (d). Por ser o instrumento de medição utilizado neste estudo será objecto de um maior detalhe.
Figura 2.14 – Esquema do ensaio com o DSR (modificado de [3]).
Figura 2.15 – Relação entre *
G , ' G, '' G e δ (modificado de [3]). Comportamento viscoelástico G’’ = Comportamento viscoso G’ = Comportamento elástico Placa de base Spindle Tempo Betume Tensão ou deformação oscilatória
Os viscosímetros rotacionais têm diversas vantagens que os tornam atraentes para o estudo das propriedades reológicas dos materiais Newtonianos e não-Newtonainos viscosos. Tais como, a medição em condições estáveis, múltiplas medições com a mesma amostra a diferentes taxas de corte, medição contínua das propriedades dos materiais que possam variar com a temperatura e pequena, ou nenhuma variação da taxa de corte dentro da amostra durante a medição [13].
O viscosímetro rotacional utilizado neste estudo foi o Brookfield DV-II + Pro, com um dispositivo de controlo de temperatura, Thermosel, Figura 2.16. Este viscosímetro mede a viscosidade dinâmica e baseia-se na formulação teórica descrita no Quadro 2.1, que depende das características geométricas das hastes, spindles em terminologia anglo-saxónica, e da câmara de amostra, da velocidade de rotação e da percentagem do esforço da mola do viscosímetro. O dispositivo Thermosel consiste numa câmara que controla a temperatura da amostra, funcionando com o objectivo de medir viscosidades de materiais, cujas propriedades variam em função da temperatura.
Quadro 2.1 – Formulação teórica inerente ao cálculo da viscosidade com o viscosímetro de Brookfield DV-II +
Pro [10].
Taxa de corte [s-1] Tensão de corte [dynes/cm2] Viscosidade
dinâmica [Poise] 2 c 2 2 c s 2 R R R γ = × ×ω − 2 rpm 60 π ω = × 2 s M 2 R L τ π = × ×
Binário da mola calibrada M % 100 = × τ η γ =
Rc – raio da câmara de amostra [mm]; Rs – raio do spindle [mm]; L – comprimento efectivo do spindle [mm];
M – binário medido no equipamento [dynes∙cm]; ω – velocidade angular; % - percentagem do esforço da mola;
Binário da mola calibrada, depende do modelo do viscosímetro, para o viscosímetro de Brookfield DV-II + Pro
é 7187 dynes∙cm.
Figura 2.16 – Equipamentos utilizados na determinação da viscosidade dinâmica. Viscosímetro de Brookfield (à esquerda), câmara de amostra (ao meio), veio e spindles utilizados (à direita) (Laboratório NIDIN).
O viscosímetro rotacional utilizado funciona sobre o princípio da medição do binário necessário para rodar um elemento sólido (spindle) imerso num meio viscoso, a uma velocidade pré-definida. A medição do binário resulta da percentagem de esforço que a mola calibrada realiza, para que o spindle rode à velocidade pré-definida. Pela combinação do mesmo, ou diferentes spindles e várias velocidades é possível determinar a viscosidade a diferentes taxas de corte [10].
Durante a medição do binário, com um determinado spindle e a uma determinada velocidade (rpm), o viscosímetro de Brookfield DV-II + Pro calcula os valores da taxa de corte, da tensão de corte e da viscosidade através da Equação (2.23), Equação (2.24) e Equação (2.25), respectivamente. Estas equações resultam da simplificação da formulação teórica, Quadro 2.1, onde as constantes SRC e
SMC dependem das características geométricas do spindle e da câmara de amostra e TK do modelo do
viscosímetro. SRC representa a constante da taxa de corte, SMC a constante multiplicadora do spindle e TK a constante do binário da mola do viscosímetro. No Quadro 2.2, apresentam-se os valores destas constantes, no Quadro 2.3 e Quadro 2.4 apresentam-se as características geométricas dos spindles e das câmaras de amostra, para os spindles e viscosímetro utilizados neste estudo [14].
1 rpm s SRC γ = × − (2.23) 2 Binário Dynes/cm TK SMC SRC τ = × × × (2.24)
(
100 rpm)
TK SMC Binário cP[ ]
η= × × × (2.25)Quadro 2.2 – Valor das constantes para os spindles e viscosímetro utilizados no estudo [14].
Spindles SRC SMC TK1
21 0,93 5
1
27 0,34 25
Quadro 2.3 – Características geométricas dos spindles utilizados no estudo [10].
Spindles Diâmetro [mm] Comprimento lateral [mm] Comprimento efectivo [mm] 21 16,76 31,24 35,15 27 11,76 33,02 39,29
Quadro 2.4 – Características geométricas das câmaras de amostra utilizadas no Thermosel [10]. Diâmetro [mm] Comprimento [mm] 19,05 77,77 1
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Capítulo 3
3
Temperaturas de fabrico e compactação: Estado da arte
3.1 Introdução
Neste capítulo descrevem-se algumas considerações sobre misturas betuminosas. Aborda-se a importância da temperatura nos processos de fabrico e compactação e apresentam-se diversas metodologias de determinação das temperaturas de fabrico e compactação de misturas betuminosas com betumes puros e modificados.
Os diversos tipos de misturas betuminosas podem ser classificados de acordo com as suas temperaturas de fabrico, distinguindo-se quatro tipos: misturas betuminosas a frio, semi-temperadas, temperadas e quentes, Figura 3.1. Nesta figura observa-se também a quantidade de energia necessária para produzir cada tipo de mistura. As misturas betuminosas a frio são fabricadas sem aquecimento dos materiais e o ligante utilizado é a emulsão betuminosa ou o betume espuma. As misturas semi- temperadas são fabricadas a temperaturas inferiores à ebulição da água, entre 70°C e 100°C, e requerem o aquecimento dos agregados. As misturas temperadas são fabricadas a temperaturas entre os 100°C e os 140°C. Por último, as misturas a quente são normalmente produzidas a temperaturas entre os 120°C e os 190°C, dependendo do tipo de betume utilizado. De salientar ainda que, as misturas betuminosas semi-temperadas e temperadas resultam da aplicação de técnicas que visam diminuir a temperatura e a energia de fabrico em relação às misturas betuminosas a quente, mantendo as mesmas propriedades e desempenho. Contudo, estas técnicas ainda se encontram em desenvolvimento [15].
As misturas betuminosas a quente são aquelas que necessitam de maiores temperaturas de fabrico, tornando-se este um factor importante na sua produção. A importância de discutir temperaturas de fabrico e compactação deve-se à sua repercussão a nível económico, social, ambiental e na qualidade dos processos de fabrico e compactação. Repare-se que, ao reduzir as temperaturas de fabrico e compactação diminui-se a quantidade de energia necessária para produzir as misturas betuminosas, e por consequência os custos de produção, as emissões de gases poluentes e melhoram-se as condições de trabalho dos operários [15]. Contudo, se esta redução não for devidamente prevista pode trazer problemas ao nível da qualidade de fabrico e compactação das misturas betuminosas, dado que a temperatura altera a viscosidade do betume. Assim, as temperaturas de fabrico e compactação devem ser estudadas de modo a garantirem a melhor qualidade dos processos de fabrico e compactação, com as menores temperaturas.
No processo de fabrico de misturas betuminosas, habitualmente numa central descontínua, os agregados são em primeiro lugar, aquecidos e secos. De seguida, o betume à temperatura de fabrico envolve os agregados no misturador [2]. Nesta fase exige-se que o betume envolva os agregados adequadamente. Para que tal aconteça, a temperatura do betume não deve ser demasiado alta, o que implica ter uma viscosidade baixa, que origine o escoamento do betume após o envolvimento dos agregados. Por outro lado, a temperatura também não deve ser demasiado baixa, traduzindo-se numa viscosidade alta, o que resulta num envolvimento deficitário dos agregados [3].
Após o processo de fabrico, a mistura betuminosa é espalhada e compactada a uma dada temperatura, temperatura de compactação, com o objectivo de alcançar o volume de vazios definido
no projecto [6]. Esta temperatura é importante nas operações de compactação pois influencia a quantidade óptima, a absorção e o grau de envelhecimento do betume, tendo ainda efeitos sobre a estrutura dos agregados, a trabalhabilidade e a baridade da mistura compactada, interferindo assim, no desempenho da mistura betuminosa [16].
Nesta fase, a temperatura de compactação deve ser tal, que permita ao betume actuar como lubrificante, de forma a facilitar o movimento das partículas de agregado no sentido de formarem uma estrutura compacta, resistente e durável, e ao mesmo tempo, dotar a mistura betuminosa da coesão necessária. A coesão entre as partículas depende da espessura do filme de betume que as envolve, que é função da quantidade e da viscosidade do betume. Por sua vez, a viscosidade do betume depende do tipo de betume e da temperatura de fabrico [1]. A resistência a conferir à mistura betuminosa deverá ser a necessária para resistir, numa primeira instância, às operações de compactação e posteriormente às condições de serviço.
Durante a compactação, se a temperatura for muito elevada, viscosidade baixa, o betume é demasiado fluido e a mistura betuminosa não possui coesão, logo não consegue resistir aos esforços induzidos pelos cilindros, originando compactações e descompactações sucessivas [1]. Por outro lado, temperaturas de compactação baixas, viscosidade alta, reduzem significativamente a trabalhabilidade da mistura betuminosa pelo aumento da resistência ao movimento dos agregados, tornando extremamente difícil o processo de compactação [1, 3, 6]. Assim, como a viscosidade varia com a temperatura, a temperatura de compactação óptima é a que origina uma menor resistência ao corte das partículas, tendo em conta a capacidade da mistura betuminosa em resistir às cargas dos cilindros, sem deformações elevadas [1].