Rigidez dos ligantes asfálticos

Ao longo da vida útil do pavimento, os ligantes asfálticos podem estar submetidos a tempe- raturas baixas, médias e altas, em ciclos alternados, o que impõe modificações em suas propriedades reológicas. Além da temperatura, o efeito associado do carregamento torna ainda mais complexa a análi- se do comportamento reológico do material. A principal propriedade reológica associada ao desempenho do ligante asfáltico ao longo da vida útil do pavimento é a rigidez, quantificada de diversas formas depen- dendo da faixa de temperatura a que os pavimentos estão submetidos.

A rigidez dos ligantes asfálticos apresenta variação extremamente grande nas faixas de temperatura de aplicação e de serviço. Para temperaturas baixas, nas quais o material tem comportamen- to de sólido elástico, a rigidez se aproxima de 5 GPa, ao passo que nas faixas elevadas de temperaturas de serviço a rigidez se aproxima de 1 kPa. A rigidez do ligante asfáltico é muito mais suscetível à tempe- ratura que outros materiais orgânicos para construção. Os ligantes asfálticos são aproximadamente 20 vezes mais suscetíveis à temperatura que muitos outros materiais poliméricos (ANDERSON et al., 1994).

Van der Poel (1954) foi o pesquisador que primeiro aplicou o conceito de módulo de rigidez para ligantes asfálticos. O módulo de rigidez foi definido por Van der Poel, para tensão uniaxial, como:

( )

onde: S = módulo de rigidez, Pa;

σ = tensão normal constante, aplicada durante um certo intervalo de tempo “t”, obtida pela razão entre a carga aplicada e a área da seção transversal à direção de aplicação da carga, Pa; ε = deformação específica verificada após o tempo “t” a uma temperatura “T”, obtida pela razão

entre a deformação axial sofrida pelo material e seu comprimento inicial, m/m.

Os valores de rigidez obtidos por Van der Poel e os descritos por outros nomogramas, co- mo os de W. Heukelom e N. W. McLoad, foram definidos para regime elongacional (solicitação uniaxial). Quando o termo rigidez é empregado, deveria ser indicado se os valores se referem a carregamento elongacional ou cisalhante.

A rigidez do ligante asfáltico é uma extensão do módulo de deformação longitudinal para os materiais viscoelásticos, sendo válida para a relação linear entre tensões e deformações. O módulo de rigidez definido por Van der Poel depende diretamente da temperatura e do tempo de aplicação do carre- gamento. Nos materiais asfálticos, se a tensão aplicada for mantida constante por um período de tempo qualquer, a deformação aumentará com o tempo e, conseqüentemente, ocorrerá uma redução do módulo de rigidez a uma velocidade que depende da temperatura.

A rigidez dos ligantes asfálticos pode ser determinada de duas formas:

• métodos indiretos: fornecem uma estimativa do módulo de rigidez por meio de nomogramas, sem o emprego de ensaios de laboratório;

• métodos diretos: o módulo de rigidez é obtido por meio de ensaios de laboratório realizados com carregamento estático ou dinâmico, como fluência, relaxação, ensaios de tração ou compressão, de cisalhamento e de flexão.

Van der Poel (1954) criou um nomograma para a estimativa do módulo de rigidez para uma variedade de ligantes asfálticos para uma extensa faixa de temperaturas e de tempos de aplicação de carga, baseado em valores de ponto de amolecimento e de penetração. Neste nomograma, é possível entrar com tempo desde 1x10-6 _{s até 1x10}10 _{s (317 anos) e temperaturas desde –158ºC até +170ºC. Foi}

desenvolvido para fornecer a rigidez na temperatura relativa ao ponto de amolecimento para qualquer tempo arbitrado de carregamento.

As funções matemáticas empregadas por Van der Poel na confecção do seu nomograma nunca foram descritas em nenhuma publicação, porém, a teoria na qual estava baseado seu trabalho encontra-se detalhadamente descrita. Ele assumiu uma variação hiperbólica da rigidez com o tempo e a curva-mestre foi definida com base no índice de penetração (IP). Embora não discutido por Van der Poel em detalhes, é de se supor que a superposição tempo-temperatura tenha sido empregada na construção do nomograma, o que sugere a existência de alguma função para a descrição dos fatores de desloca- mento horizontal (“shift factors”) em função da temperatura. Este método é limitado pelo próprio uso de medidas de consistência empíricas. Além disso, em virtude da disponibilidade de métodos computacio- nais, não é mais necessário nem desejável recorrer a métodos gráficos, porém, não se dispõe da formu- lação matemática original empregada por Van der Poel.

Mais tarde, Heukelom (1969) sugeriu a utilização do “bitumen test data chart” (BTDC), com a medida da penetração em três temperaturas diferentes, a fim de determinar o índice de penetração corrigido, chamado IP (pen/pen), e o ponto de amolecimento corrigido. Os valores corrigidos do ponto de amolecimento seriam, então, usados no nomograma de Van der Poel. Segundo Roberts et al. (1998), estas correções foram propostas, devido à possibilidade de obtenção de resultados incorretos do nomo- grama de Van der Poel, quando é utilizado o ponto de amolecimento de ligantes asfálticos parafínicos. Posteriormente, McLeod (1976) propôs uma modificação no método de Heukelom, sugerindo o emprego do “pen-vis number” (PVN) em vez do IP (pen/pen), empregado por Heukelom, na estimativa do módulo de rigidez.

Durante a pesquisa SHRP, as várias versões do nomograma de Van der Poel foram anali- sadas. Constatou-se que todas apresentam praticamente as mesmas limitações e que o emprego destes nomogramas deveria ser evitado caso sejam disponíveis métodos mais precisos e racionais de caracteri- zação. Discrepâncias entre os valores de rigidez medidos no programa SHRP e aqueles estimados pelos

nomogramas tendem a ser mais pronunciadas para temperaturas baixas e tempos de carregamento altos. (ANDERSON et al., 1994).