Metodologias para simular o envelhecimento em laboratório

Em termos químicos o envelhecimento do betume conduz a uma diminuição no teor em aromáticos e consequentemente a um aumento no teor em resinas, juntamente com um aumento do teor em asfaltenos. Assim, é consensualmente aceite que os aromáticos produzem resinas que por seu lado geram asfaltenos. Por seu lado, os saturados permanecem quase inalterados (Lesueur, 2009).

A relação ponderal entre as resinas e os asfaltenos é primordial para se manter o modelo coloidal inicial, pois se a concentração dos asfaltenos relativamente às resinas aumentar, irá ficar mais facilitada a condensação dos asfaltenos, acelerando-se assim o processo de envelhecimento.

Com o envelhecimento, o betume torna-se mais duro e mais brilhante, aumentando o risco da ruina da mistura betuminosa, através do fendilhamento e desprendimento, devido à rotura fragil, coesiva, do mástique betuminoso.

O envelhecimento artificial em laboratório aumenta o peso molecular do betume dado que aumenta a concentração das maiores moléculas, reduzindo a concentração das pequenas moléculas (Lu & Isacsson, 1999).

Ensaios de cromatografia de permeação em gel realizados por Moraes & Bahia em 2014, demonstraram que a utilização de filer nas misturas betuminosas diminui a taxa de produção de moléculas de maiores dimensões, resultantes da oxidação do betume, reduzindo assim o efeito do envelhecimento do ligante na mistura betuminosa.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0,001 0,01 0,1 1 10 100 ∗ V is co si d a d e c o m p le xa ( P a .s ) Frequência (Hz)

46

Ensaios laboratoriais físicos como a penetração, temperatura anel e bola, viscosidade e avaliação do comportamento reológico com o reómetro de corte dinâmico, realizados com betume original e com betume envelhecido artificialmente em laboratório, permitem avaliar a maior ou menor suscetibilidade do betume ao envelhecimento.

Permitem ainda estudar os mástiques e a eficácia de aditivos do tipo rejuvenescedores, permitindo selecionar, entre vários tipos de aditivos, aquele que melhor desempenho apresenta para determinado betume.

O envelhecimento do betume que ocorre ao longo da vida no pavimento é influenciado por diversos fatores: características e dosagem do ligante, natureza geológica do agregado e distribuição granulométrica das partículas, porosidade da mistura betuminosa, aspetos ligados com o processo de fabrico da mistura betuminosa e sua colocação na camada e as ações a que a mistura betuminosa vai estar sujeita, nomeadamente no que diz respeito ao tráfego, volume, carga e distribuição no tempo e às condições climatéricas (Lu & Isacsson, 1999).

O envelhecimento sofrido pelo betume durante o seu armazenamento em central, fabrico da mistura betuminosa, conservação em stock, transporte, espera e aplicação da mistura em camada de pavimento, pode ser simulado laboratorialmente através de três metodologias, todas elas especificadas em documentos normativos europeus:

EN 12607-1 (CEN, 2014) e ASTM D2872-12 (2012). Nesta metodologia, vulgarmente designada por RTFOT “Rolling Thin-Film Oven Test”, uma amostra de betume é colocada dentro de frascos de vidro cilíndricos, aos quais é imposto um movimento rotativo, de modo a formar uma pelicula de betume pouco espessa, a qual é exposta, durante 75 min, dentro de equipamento apropriado (figura 2.20), a uma corrente de ar com um fluxo de 4 l/min e uma temperatura de 163 ⁰C;

Figura 2.20 Câmara de envelhecimento de betumes RTFOT a) Vista geral www.matest.com/en/Products/----1/Macro-Category/rolling-thin-film-oven

b) pormenor www.gecil.com/index.php?pageID=54 a)

47
EN 12607-2 (CEN, 2014) e ASTM D1754-14 (2014). Este método é usualmente referido pela sigla TFOT “Thin-Film Oven Test” e consiste basicamente em colocar uma amostra de betume em taças, numa espessura de 3 mm, dentro de uma estufa (fig 2.21) e exposto a uma temperatura de 163 ⁰C durante 5 horas;

EN 12607-3 (CEN, 2014). Neste método, RFT “Rotating Flask Test”, o betume é colocado num balão de vidro, ao qual é imposto um movimento rotativo num ângulo de 45 ⁰, dentro de um banho de óleo, a uma temperatura de 165 ⁰C e submetido a uma corrente de ar (figura 2.22).

Figura 2.21 - Estufa para ensaio de envelhecimento de betumes (TFOT) www.lin-tech.ch/english/tf257000eng.html

Figura 2.22 - Equipamento para envelhecimento de betume pelo método RFT www.matest.com/en/Products/----1/Macro-Category/bituminous-binders-determination-of-

the-resistance-of-hardening-rotating-flask-test-rft-me/b065-rotary-evaporation-apparatus

Após a exposição do betume a estas condições forçadas por um destes métodos, a suscetibilidade ao envelhecimento do betume é geralmente avaliada, através da quantificação de três parâmetros: perda de massa observada durante o ensaio, aumento da temperatura anel e bola e penetração conservada pelo betume.

48

O envelhecimento de um betume provocado pelo método RTFOT, não altera a quantidade de resinas presentes no betume, mas conduz a um aumento significativo de asfaltenos e a uma perda ainda mais evidente de aromáticos (Buisson et al., 2009), situação esta que na realidade se verifica em todo o processo associado ao fabrico de uma mistura betuminosa a quente, aspeto pelo qual o método se encontra normalizado e os valores obtidos devidamente especificados na norma de produto.

Vários autores (Huang et al., 1996; Phromsorn & Kennedy,1995) concluíram que o método RTFOT conduz a um maior envelhecimento que a metodologia TFOT. A mesma conclusão foi estabelecida em 1997 por Scarlett através da realização de ensaios de penetração para vários tipos de betumes. Complementarmente, ensaios de envelhecimento acelerado em laboratório por estes dois métodos realizados em 1999 por Lu & Isacsson, em betumes modificados com SBS “Styrene-Butadiene-Styrene”, permitiram concluir que o RTFOT é mais severo, no que diz respeito ao envelhecimento por oxidação, observando uma relação linear entre os dois métodos, mas menos severo no que toca à degradação do polímero do betume.

Por outro lado, o envelhecimento do betume de uma mistura betuminosa, aplicada em camada de pavimento verificado ao fim da vida útil de um pavimento, pode ser simulado em laboratório através de duas metodologias previstas na normalização europeia:
EN 14769 (CEN, 2012). Esta metodologia de ensaio, designada por PAV “Pressure

Ageing Vessel”, encontra-se igualmente descrita na norma americana ASTM D6521-13 (2013);

EN 15323 (CEN, 2007). Esta metodologia é designada por RCAT “Rotating Cylinder Aging Test”.

Basicamente o método PAV consiste em expor o betume, após sujeito a envelhecimento a curto prazo por um dos métodos descritos anteriormente, a uma pressão de 2,1 MPa, temperatura previamente selecionada entre 85 e 110 ⁰C e durante um determinado período de tempo, geralmente 20 h, em equipamento apropriado capaz de resistir à elevada pressão a que é exposta a amostra de betume (figura 2.23). A metodologia SHRP, onde o ensaio foi desenvolvido, admite que a exposição a envelhecimento acelerado para uma temperatura de 90 ⁰C, durante 20 h, equivale ao envelhecimento sofrido pelo betume colocado no pavimento durante 20 anos em serviço.

Não obstante, alguns autores Lu et al. em 2010 observaram que esta metodologia não prevê convenientemente o envelhecimento dos betumes modificados com polímeros do tipo SBS, recomendando a adoção, para o caso destes betumes, de outros parâmetros,

49 nomeadamente o tempo e a temperatura de ensaio, de modo a obter um estado de envelhecimento mais adequado.

Figura 2.23 Equipamento de envelhecimento PAV

A exposição do betume ao ensaio PAV provoca um aumento significativo das resinas, uma perda de aromáticos e um aumento dos asfaltenos, variações estas não tão acentuadas como as verificadas no ensaio RTFOT (Buisson et al., 2009).

O método RCAT foi desenvolvido pelo BRRC “Belgium Road Research Center” e consiste em colocar a amostra de betume a ensaiar num recipiente metálico, no qual se encontra mergulhado um cilindro, igualmente metálico, de eixo horizontal, ao qual é aplicado um movimento rotativo, observando-se ao longo do ensaio, o revestimento da superfície de revolução do cilindro de uma camada pouco espessa de betume. O sistema é mantido dentro de uma câmara, onde é introduzido oxigénio, por forma a acelerar a oxidação do betume e em condições de temperatura e duração determinadas (figura 2.24).

Figura 2.24 Equipamento de envelhecimento RCAT

50

Refira-se ainda que estas duas metodologias PAV e RCAT permitem, conjugando a temperatura e o tempo de exposição, simular os dois envelhecimentos, a curto prazo no fabrico e a longo prazo em serviço, dispensando assim a metodologia RTFOT.

Em 2011, Muller & Jenkins realizaram ensaios comparativos, utilizando os métodos RTFOT e PAV, para vários betumes. Os autores prolongaram o tempo de exposição ao evelhecimento no RTFOT, procurando obter apenas por esta metodologia, o mesmo nível de envelhecimento obtido por aplicação dos dois métodos.

O efeito do envelhecimento artificial dos betumes modificados é fortemente dependente do tipo de polímero utilizado na modificação do betume. A comprovar este aspeto estão os resultados obtidos em ensaios de penetração e temperatura anel e bola realizados em 2005 por Verhasselt, em diferentes laboratórios para diferentes tipos de betume e após envelhecimento RCAT a 90 ⁰C de temperatura ao fim de 17, 65 e 140 h de exposição, que mostraram valores relativamente elevados para a dispersão de valores no caso de betumes modificados com polímeros do tipo EVA “Ethylene-Vinyl-Acetate”. Resultados de ensaios realizados em 2003, pelo mesmo investigador, Verhasselt, a diversos tipos de betumes e mesmo para mástique betuminosos, mostram que o envelhecimento obtido em RTFOT a 163 ⁰C de temperatura, durante 75 min, é equivalente ao envelhecimento obtido em RCAT para a mesma temperatura durante cerca de 230 min.