Quantificação da rigidez com reómetro de corte dinâmico

Como já fora referido em capítulos anteriores, a reologia é a ciência que estuda o movimento dos materiais, analisando as deformações resultantes da aplicação de ações externas ao material.

Apesar de o betume representar apenas uma pequena parte de uma mistura betuminosa, o seu comportamento reológico influencia a maior parte das características mecânicas e reológicas da mistura betuminosa, sendo responsável pela resposta complexa da mistura betuminosa face às ações mecânicas e térmicas a que ela é sujeita no pavimento.

A caracterização empírica dos betumes através de ensaios como a penetração, temperatura anel e bola e indicadores de comportamento como o índice de penetração, que caracteriza a suscetibilidade térmica dos betumes, não são capazes por si só de caracterizar convenientemente o betume, dado o comportamento viscoelástico deste material.

Os ensaios de avaliação da viscosidade, através de viscosímetros rotativos, são ensaios fundamentais para a avaliação do comportamento do betume a diferentes temperaturas, mas não permitem estudar o comportamento do betume a baixas e médias temperaturas ambiente, conhecer as alterações de comportamento com o envelhecimento nem quantificar as relações entre as componentes elásticas e viscosas dos ligantes.

A consideração do comportamento viscoelástico para os betumes foi primeiramente descrito por Van der Poel, em 1954, que, através de ensaios dinâmicos e de corte estático realizados a diferentes temperaturas, permitiu estabelecer nomogramas com os quais é possível definir o módulo de um betume, através de ensaios empíricos como a penetração e a temperatura anel e bola.

O reómetro de corte dinâmico permite obter para qualquer tipo de betume e para as temperaturas de serviço dos betumes, os valores do módulo de rigidez complexo, o ângulo de fase e a viscosidade complexa.

Entende-se por viscosidade complexa o valor da viscosidade obtido da conjugação das duas componentes do movimento imposto ao fluido: a componete elástica, real, recuperável e a componente plástica, imaginária e irrecuperável.

41 O provete é constituido por um anel de betume, de forma circular, podendo ser obtido por corte de uma amostra preparada através do enchimento de uma secção que define a espessura do provete de betume pretendida (figura 2.16).

O diâmetro do provete é igual ao dos pratos de ensaio e os valores da sua espessura dependem da gama de leituras a efetuar e são dados na tabela 2.3.

Figura 2.16 Preparação de provetes para ensaio com reómetro de corte dinâmico

Tabela 2.3 Diâmetros dos pratos do reómetro de corte dinâmico Diâmetro do provete

(mm)

Espessura do provete (mm)

Gama de valores do módulo de rigidez (kPa)

Gama de temperaturas (⁰C)

8 1 100 - 10 000 5 - 20

25 2 1 - 100 20 - 80

Os ensaios realizados neste estudo foram desenvolvidos com o equipamento representado na figura 2.17, de acordo com as normas AASHTO TP5 (1998), EN 14770 (CEN, 2012) e ASTM D 7175-15 (2015).

Figura 2.17 – a) Reómetro de corte dinâmico b) pormenor do equipamento utilizado

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Na execução dos ensaios foram utilizados os seguintes parâmetros:
carregamento oscilatório;

tensão de corte máxima constante de 400 Pa para o betume modificado e respetivos mástiques e 300 Pa para o betume de pavimentação e mástiques com ele produzidos;

vários patamares de frequência, começando pelo valor de frequência mais elevado 10 Hz e gradualmente diminuindo até se atingir a frequência mais baixa de 0,01 Hz.

Por forma a definir o nível de tensão a aplicar aos provetes, foram inicialmente realizados ensaios para diferentes valores da tensão de corte máxima aplicada ao provete (figura 2.18), procurando observar qual o máximo valor de tensão a aplicar para a qual o provete mantinha um comportamento viscoelástico linear. Obtêm-se, assim, valores do módulo complexo não afetados pela amplitude da tensão ou extensão aplicada, dependendo apenas da temperatura e da frequência aplicada.

O equipamento permite quantificar o binário aplicado ao provete, a deformação angular e o tempo decorrido entre a aplicação do binário máximo e o momento em que se verifica a deformação máxima, parâmetros necessários para o conhecimento do ângulo de fase. Todos os equipamentos permitem realizar ensaios em tensão controlada ou extensão controlada, fazendo variar o valor máximo aplicado e a frequência de

Gv = f ( ) |η∗_{| = f ( )} Ge = f ( ) |η∗_{| ( )} ( ) (Pa)

Figura 2.18 Valores da viscosidade complexa e das componentes elástica e imaginária da rigidez função da tensão de corte instalada

43 aplicação. Permitem ainda fazer variar a temperatura de ensaio e a geometria de aplicação das ações ao provete: pratos paralelos, em cone ou cilindros coaxiais. A geometria dos pratos paralelos é a que é usada em ensaios com betumes, apesar de apresentar a desvantagem de a deformação não ser constante em todo o provete circular, observando-se que é nula no centro do circulo e máxima no seu perímetro. Neste trabalho foram usados pratos paralelos, várias temperaturas e diferentes frequências, em modo de tensão constante para dois valores distintos da tensão máxima, função da resposta viscoelástica linear das amostras.

No cálculo da tensão máxima de corte ( ) , extensão máxima ( ) e o módulo de corte complexo | ∗_{|, foram usadas respetivamente, as expressões 2.24, 2.25 e 2.26.}

= 2 [2.24] = ℎ [2.25] | ∗_{| = =} 2 ℎ _[2.26] Em que: M – Binário medido (N.mm); r – Raio do prato (mm);

– Ângulo de deflexão (rad);

h – Afastamento dos pratos ou seja espessura do provete (mm).

O equipamento permite ainda a realização de ensaios de fadiga e de fluência que no entanto não foram realizados no presente trabalho.

A viscosidade a taxa de corte zero ZSV, “Zero Shear Viscosity”, é a viscosidade de um fluido em repouso e pode ser quantificada impondo uma deformação por corte a uma taxa de corte próxima de zero em reómetro de corte, através de ensaios de corte oscilatórios ou ensaios de fluência. O valor da viscosidade de um betume a taxa de

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corte zero é característico do valor da rigidez do betume e da resistência do material às deformações permanentes para longos períodos de carregamento.

Ensaios realizados por De Visscher, et al., em 2004 permitiram concluir da adequabilidade dos ensaios DSR para quantificação da viscosidade a taxa de corte zero, desde que o equipamento permita realizar ensaios para frequências muito baixas. A quantificação laboratorial da viscosidade a taxa de corte muito baixas, próximas de zero, através da realização de ensaios oscilatórios ou de fluência para vários tipos de betume, permitiram obter resultados que apresentaram boa relação com ensaios laboratoriais de deformações permanentes em misturas betuminosas (Phillips & Robertus, 1996; Guericke, 2000).

No entanto, o valor da frequência a aplicar ao provete durante o ensaio, está limitada quer inferior quer superiormente. A maior parte dos reómetros de corte não permite fazer ensaios para frequências inferiores a 0,01 Hz, sendo usual extrapolar o valor da viscosidade a taxa de corte zero, utilizando o modelo de Cross dado pela expressão [2.9] já apresentada e que pode ser escrita da seguinte forma:

η∗ _{(ω) =} η∗− η∗

1 + (kω) + η∗ [2.27]

Porém, este modelo nem sempre conduz a resultados credíveis, nomeadamente para betumes modificados. Na realidade, o valor da viscosidade a taxa de corte zero de um betume modificado não é fácil de obter experimentalmente (figura 2.19).

Os valores da viscosidade obtidos para frequências muito baixas dependem significativamente de muitos fatores, como sejam (De Visscher et al., 2004): temperatura e período de aquecimento da amostra para preparação dos provetes, temperatura do betume na moldagem dos provetes, taxa de arrefecimento até temperatura ambiente e tempo decorrido entre a moldagem dos provetes e a execução do ensaio. Todos estes aspetos originam grande dispersão nos valores obtidos da viscosidade para muito baixas frequências.

Resultados de ensaios com reómetro de corte, para diversos tipos de betume, apresentados por Nicholls em 2006, evidenciam boa correlação com os valores de rigidez observados para as misturas betuminosas produzidas com esses betumes.

45 Figura 2.19 Variação da viscosidade complexa com a frequência de aplicação do carregamento