Estudo sobre a ação de modificadores no envelhecimento dos ligantes asfálticos e nas propriedades mecânicas e de fadiga das misturas asfálticas

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(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL. ESTUDO SOBRE A AÇÃO DE MODIFICADORES NO ENVELHECIMENTO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS. Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. ARMANDO MORILHA JUNIOR. Florianópolis, maio de 2004.

(2) ii. MORILHA JUNIOR, Armando. ESTUDO SOBRE A AÇÃO DE MODIFICADORES NO ENVELHECIMENTO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS. Florianópolis, SC, 2004, 165 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina. Orientador: Glicério Trichês Defesa: maio/2004 1. Ligantes Asfálticos Modificados 2. Envelhecimento do ligante 3. Misturas Asfálticas..

(3) iii. ESTUDO SOBRE A AÇÃO DE MODIFICADORES NO ENVELHECIMENTO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS E NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS. Esta dissertação foi julgada para obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA, especialidade ENGENHARIA CIVIL, e aprovada em sua forma final pelo Programa de PósGraduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina. Prof. Dr. Glicério Trichês (Orientador). Profª Henriette Lebre La Rovere (Coordenadora do Curso). Comissão Examinadora:. Prof. Dr. Antônio Fortunato Marcon (UFSC). Profª. Drª. Leni Figueiredo Mathias Leite (CENPES). Prof. Dr. Jorge Augusto Pereira Ceratti (UFRGS). Em 28 de Maio de 2004.

(4) iv. Ao meu pai (in memoriam) e minha mãe, pela oportunidade da vida e pelos ensinamentos. À minha esposa Gyovana e aos meus filhos João Gustavo, Estevão Augusto e Joanna Paula por terem tido paciência comigo durante os estudos e por serem o estímulo de minha vida..

(5) v. AGRADECIMENTOS. Ao Prof. Glicério Trichês, pela orientação firme e dedicada e pelo auxílio na viabilização deste trabalho. À Universidade Federal de Santa Catarina pela oportunidade de voltar a estudar. Ao sr. Amadeu Greca e à diretoria do Grupo Greca Asfaltos, pelo apoio e financiamento recebido para a execução deste trabalho. Ao Prof. Antônio F. Marcon, por me lembrar que eu poderia retornar a UFSC e por ter viabilizado esta oportunidade. Ao pessoal do Laboratório da Greca: Gilberto, José Antonio, Edson, Juraci e Wander, pela dedicação e apoio constante na execução dos ensaios. Ao LAPAV – Laboratório de Pavimentação da UFRGS, na pessoa do Prof. Jorge A. P. Ceratti e do técnico Ivan, pela execução dos ensaios de caracterização mecânica e de fadiga. Ao IPR/DNIT, na pessoa do Dr. Salomão Pinto, pelos ensaios de envelhecimento realizados. A todas as pessoas (e foram muitas) que me auxiliaram com idéias, comentários e manifestações de estímulo que, embora não as nomine, tem a minha gratidão..

(6) vi. SUMÁRIO. Página. CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO............................................................................. 1. 1.1 OBJETIVO DO TRABALHO............................................................... ............. 3. 1.2 PROCEDIMENTOS PARA ALCANÇAR O OBJETIVO.............................. 3. 1.3 IMPORTÂNCIA DO TEMA.............................................................................. 4. 1.4 DELIMITAÇÃO DA PESQUISA...................................................................... 4. 1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO.................................................................. 5. CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................. 7. 2.1. O. FENÔMENO. DO. ENVELHECIMENTO. DO. LIGANTE. ASFÁLTICO.............................................................................................................. 7. 2.1.1 Fatores Químicos e Reológicos sobre o Envelhecimento do Ligante Asfáltico................................................................................................................. 11. 2.1.2 Fatores que Influenciam no Processo de Envelhecimento do Ligante Asfáltico em uma Mistura Asfáltica...................................................................... 17. 2.1.2.1 Envelhecimento de curto prazo......................................................... 17. 2.1.2.2 Envelhecimento de longo prazo......................................................... 20. 2.1.3 Caracterização do Envelhecimento do Ligante Asfáltico............................. 24. 2.1.3.1 Efeito do calor e do ar – ECA.............................................................. 25. 2.1.3.2 Aquecimento em película delgada rolada – RTFOT............................ 26. 2.1.3.3 Pressure aging vessel – PAV............................................................... 27. 2.1.3.4 Análise comparativa quanto a severidade dos ensaios de envelhecimento................................................................................................ 28. 2.1.3.5 Casos práticos de envelhecimento do ligante asfáltico........................ 30. 2.1.4 Medida da Viscosidade dos Ligantes Asfálticos........................................... 31. 2.1.5 Ligantes Asfálticos Modificados por Polímeros........................................... 33.

(7) vii. 2.1.6 O. Envelhecimento. dos. Ligantes. Asfálticos. Modificados. por. Polímeros............................................................................................................... 39. 2.2 CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS............................................................ 42. 2.2.1 Ensaio de Tração Indireta por Compressão Diametral com Cargas Repetidas................................................................................................................ 44. 2.2.2 Ensaio de Fadiga de Misturas Asfálticas...................................................... 48. 2.2.3 Fatores que Afetam a Resistência à Fadiga.................................................. 52. 2.2.4 Comportamento Mecânico de Misturas Asfálticas....................................... 53. 2.2.5 Caracterização do Envelhecimento da Mistura Asfáltica.............................. 55. CAPÍTULO. 3. -. METODOLOGIA. E. MATERIAIS. EMPREGADOS.............................................................................................................. 57. 3.1 METODOLOGIA EMPREGADA NA PESQUISA......................................... 57. 3.2CARACTERIZAÇÃO. DOS. MATERIAIS. UTILIZADOS. NA. PESQUISA.................................................................................................................. 61. 3.2.1 Processo de Fabricação dos Ligantes Asfálticos........................................... 61. 3.2.2 Descrição dos Modificadores Utilizados....................................................... 62. 3.2.3 Ligantes Asfálticos Utilizados na pesquisa................................................... 65. 3.2.4 Caracterização dos Agregados e da Cal Hidratada....................................... 67. 3.2.5 Ensaio de Abson............................................................................................ 68. 3.2.6 Influência da Cal Hidratada nas Propriedades Reológicas do Ligante Asfáltico Recuperado............................................................................................. 70. 3.2.7 Avaliação da Repetibilidade dos Ensaios Realizados................................... 72. CAPÍTULO. 4. -. APRESENTAÇÃO. E. DISCUSSÃO. DOS. RESULTADOS SOBRE ENVELHECIMENTO............................................... 4.1. DOSAGEM. DAS MISTURAS. ASFÁLTICAS. PELO. 75. MÉTODO. MARSHALL.............................................................................................................. 75.

(8) viii. 4.2 CONCENTRAÇÃO CRÍTICA DO SISTEMA “FINOS-BETUME”............. 4.3ENVELHECIMENTO. DOS. LIGANTES. ASFÁLTICOS. 79. EM. LABORATÓRIO........................................................................................................ 81. 4.3.1 Resultados dos Ensaios de Perda de Massa................................................... 81. 4.3.2 Resultados dos Ensaios de Penetração.......................................................... 84. 4.3.3 Resultados dos Ensaios de Ponto de Amolecimento..................................... 87. 4.3.4 Resultados dos Ensaios de Recuperação Elástica......................................... 89. 4.3.5 Resultados dos Ensaios de Viscosidade Dinâmica........................................ 92. 4.3.6 Discussão dos Resultados.............................................................................. 98. 4.4ENVELHECIMENTO. DOS. LIGANTES. ASFÁLTICOS. NO. CAMPO....................................................................................................................... 100. 4.4.1 Resultados dos Ensaios de Penetração de Campo......................................... 102. 4.4.2 Resultados dos Ensaios de Ponto de Amolecimento de Campo................... 103. 4.4.3 Resultados dos Ensaios de Recuperação Elástica de Campo........................ 104. 4.4.4 Resultados dos Ensaios de Viscosidade Dinâmica de Campo...................... 105. 4.4.5 Discussão dos Resultados.............................................................................. 107. 4.5COMPARAÇÃO ENTRE O ENVELHECIMENTO NO LABORATÓRIO E NO CAMPO............................................................................................................ 108. 4.5.1 Análise Laboratório/Campo da Penetração................................................... 108. 4.5.2 Análise Laboratório/Campo do Ponto de Amolecimento............................. 109. 4.5.3 Análise Laboratório/Campo da Recuperação Elástica.................................. 110. 4.5.4 Análise Laboratório/Campo da Viscosidade Dinâmica................................ 110. 4.5.5 Discussão dos Resultados.............................................................................. 112. CAPÍTULO. 5. -. APRESENTAÇÃO. E. DISCUSSÃO. DOS. RESULTADOS SOBRE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA E À FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS................................................. 113. 5.1 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL.............. 114. 5.2 MÓDULO DE RESILIÊNCIA........................................................................... 118.

(9) ix. 5.3 ANÁLISE DO MÓDULO DE RESILIÊNCIA E DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO..................................................................................................................... 122. 5.4 VIDA DE FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS..................................... 124. 5.4.1 Vida de Fadiga das Misturas em Função da Diferença de Tensões Aplicadas................................................................................................................ 124. 5.4.2 Vida de Fadiga das Misturas em Função da Deformação de Tração Inicial...................................................................................................................... 131. 5.4.3 Análise das Vidas de Fadiga......................................................................... 136. CAPÍTULO 6 - ANÁLISE PARAMÉTRICA..................................................... 140. 6.1 CONDIÇÃO DE CARREGAMENTO SIMULADO........................................ 141. 6.2 ESTRUTURAS DE PAVIMENTO SIMULADAS............................................ 141. 6.3 SIMULAÇÃO COM O PROGRAMA FLAPS................................................. 143. 6.3.1 Análise das Estruturas em Função da Diferença de Tensões ....................... 143. 6.3.2 Análise das Estruturas em Função da Deformação de Tração Inicial...................................................................................................................... 145. 6.3.3 Considerações Quanto aos Resultados da Análise Paramétrica com o Programa Flaps....................................................................................................... 147. 6.4 SIMULAÇÃO COM O PROGRAMA ELSYM 5............................................. 148. 6.4.1 Análise das Estruturas em Função da Diferença de Tensões ....................... 148. 6.4.2 Análise das Estruturas em Função da Deformação de Tração Inicial...................................................................................................................... 150. 6.4.3 Considerações Quanto aos Resultados da Análise Paramétrica com o Programa Elsym 5................................................................................................. 6.5 COMPARAÇÃO ENTRE OS RESULTADOS. 151. OBTIDOS PELA. SIMULAÇÃO COM O ELSYM 5 E FLAPS........................................................... 152. 6.5.1 Simulação por Diferença de Tensões............................................................ 152. 6.5.2 Simulação por Deformação Específica de Tração Inicial............................. 153. 6.6. CONSIDERAÇÕES. FINAIS. SOBRE. OS. RESULTADOS. DAS. SIMULAÇÕES........................................................................................................... 153.

(10) x. CAPÍTULO 7 - CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES............................. 155. 7.1 CONCLUSÕES.................................................................................................... 155. 7.2 RECOMENDAÇÕES.......................................................................................... 157. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................... 160.

(11) xi. LISTA DE FIGURAS Páginas FIGURA 2.1. Envelhecimento do ligante asfáltico nas etapas de construção e de utilização do pavimento............................................................. FIGURA 2.2. 9. Representação esquemática da análise da composição química de um ligante asfáltico.................................................................... 13. FIGURA 2.3. Representação da estrutura coloidal de cimento asfáltico.............. 13. FIGURA 2.4. Alterações na composição química do ligante asfáltico após usinagem, aplicação e durante a vida de serviço............................ FIGURA 2.5. Relação entre a temperatura de usinagem da mistura asfáltica e o aumento no ponto de amolecimento do ligante asfáltico............ FIGURA 2.6. 24. Equipamento para o ensaio de efeito do calor e do ar em película delgada (TFOT)................................................................ FIGURA 2.10. 21. Endurecimento do ligante asfáltico na superfície e no interior da camada asfáltica de revestimento................................................... FIGURA 2.9. 20. Relação entre o teor de vazios da mistura e a penetração do ligante asfáltico em função do envelhecimento em serviço........... FIGURA 2.8. 18. Efeito da espessura de película de ligante asfáltico no envelhecimento............................................................................... FIGURA 2.7. 15. 26. Equipamento utilizado para o ensaio de efeito do calor e do ar em película delgada rolada (RTFOT)............................................. 27. FIGURA 2.11. Vaso de envelhecimento pressurizado........................................... 28. FIGURA 2.12. Viscosímetro Brookfield................................................................. 32. FIGURA 2.13. Ensaio de recuperação elástica....................................................... 35. FIGURA 2.14. Diferentes tipos de ensaios de fadiga de misturas asfálticas.......... 43. FIGURA 2.15. Tensões no ensaio de compressão diametral.................................. 45. FIGURA 2.16. Equipamento de ensaio de compressão diametral dinâmico.......... 47. FIGURA 3.1. Vista geral do equipamento para o método de Abson.................... 69.

(12) xii. FIGURA 4.1. Granulometria individual dos agregados componentes das misturas asfálticas.......................................................................... 76. FIGURA 4.2. Granulometria da mistura de agregados........................................ 77. FIGURA 4.3. Análise de perda de massa em ensaios de laboratório................... 82. FIGURA 4.4. Análise da penetração dos ligantes asfálticos em diferentes situação de laboratório................................................................... FIGURA 4.5. Análise do ponto de amolecimento dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório................................................. FIGURA 4.6. 105. Análise da viscosidade à 155° C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo......................................................... FIGURA 4.16. 104. Análise da viscosidade à 135° C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo......................................................... FIGURA 4.15. 103. Análise da recuperação elástica dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo......................................................... FIGURA 4.14. 102. Análise do ponto de amolecimento dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo......................................................... FIGURA 4.13. 101. Análise da penetração dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo......................................................................... FIGURA 4.12. 95. Visão da usina gravimétrica utilizada na usinagem das misturas asfálticas.......................................................................................... FIGURA 4.11. 94. Análise de viscosidade à 175° C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório................................................. FIGURA 4.10. 93. Análise de viscosidade à 155° C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório................................................. FIGURA 4.9. 90. Análise de viscosidade à 135° C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório................................................. FIGURA 4.8. 88. Análise da recuperação elástica dos ligantes asfálticos em diferentes situações de laboratório................................................. FIGURA 4.7. 85. 105. Análise da viscosidade à 175° C dos ligantes asfálticos em diferentes situações de campo......................................................... 106.

(13) xiii. FIGURA 5.1. Valores de resistência à tração por compressão diametral das 8 misturas asfálticas estudadas à 25° e 40° C.................................... FIGURA 5.2. Efeito da temperatura na resistência à tração para as 8 misturas asfálticas.......................................................................................... FIGURA 5.3. 121. Vida de fadiga das misturas asfálticas em função da diferença de tensões............................................................................................. FIGURA 5.6. 118. Efeito da temperatura no módulo de resiliência para as 8 misturas asfálticas........................................................................... FIGURA 5.5. 117. Valores de módulo de resiliência das 8 misturas asfálticas estudadas à 25° e 40° C.................................................................. FIGURA 5.4. 114. 125. Vida de fadiga por deformação específica de tração inicial das misturas asfálticas........................................................................... 132.

(14) xiv. LISTA DE QUADROS Páginas QUADRO 2.1. Mudanças na composição química dos ligantes asfálticos após emsaios de envelhecimento.............................................................. QUADRO 2.2. 14. Mudanças nos ensaios convencionais dos ligantes asfálticos após ensaios de envelhecimento............................................................... 16. QUADRO 2.3. Envelhecimento do ligante asfáltico CAP – 20 após usinagem....... 30. QUADRO 2.4. Mudanças. nos. testes. convencionais. após. ensaios. de. envelhecimento para ligantes asfálticos modificados por EVA...... QUADRO 2.5. Mudanças. nos. testes. convencionais. após. ensaios. 40. de. envelhecimento para ligantes asfálticos modificados por SBS........ 41. QUADRO 3.1. Composição em peso dos ligantes asfálticos da pesquisa................ 62. QUADRO 3.2. Resultados dos ensaios de caracterização do óleo extensor utilizado............................................................................................ 63. QUADRO 3.3. Características do polímero SBS utilizado na pesquisa.................... 64. QUADRO 3.4. Distribuição granulométrica da borracha moída de pneu................. 64. QUADRO 3.5. Composição química da BMP.......................................................... 64. QUADRO 3.6. Características do polímero EVA utilizado na pesquisa................... 65. QUADRO 3.7. Características físicas e reológicas dos ligantes asfálticos da pesquisa............................................................................................ 66. QUADRO 3.8. Ensaios químicos da cal utilizada na pesquisa................................. 68. QUADRO 3.9. Granulometria da cal hidratada utilizada na pesquisa...................... 68. QUADRO 3.10. Influência do CO2 injetado no ensaio de Abson na consistência do ligante asfáltico................................................................................. QUADRO 3.11. Influência da cal hidratada na consistência do ligante asfáltico recuperado......................................................................................... QUADRO 3.12. 70 71. Resultados dos ensaios para estatística do ligante asfáltico CAP – 20..................................................................................................... 73.

(15) xv. QUADRO 3.13. Resultados dos ensaios para estatística do ligante asfáltico AM BMP 15%......................................................................................... QUADRO 3.14. 73. Coeficiente de variação dos resultados dos ensaios para os dois ligantes asfálticos.............................................................................. 74. QUADRO 4.1. Granulometria dos agregados........................................................... 76. QUADRO 4.2. Temperaturas utilizadas na moldagem dos corpos-de-prova............ 77. QUADRO 4.3. Características Marshall das misturas asfálticas............................... 78. QUADRO 4.4. Concentração crítica do “sistema finos-betume”.............................. 80. QUADRO 4.5. Perdas de massa de ligantes não modificados por polímeros após envelhecimento................................................................................. QUADRO 4.6. Perdas de massa de ligantes modificados por polímeros após envelhecimento................................................................................. QUADRO 4.7. Porcentagem. da. penetração. original. após. ensaios. Aumento. do. ponto. de. amolecimento,. em. °. C,. Aumento. do. ponto. de. amolecimento,. em. °. C,. 102. após. envelhecimento de campo................................................................ QUADRO 4.12. 96. Porcentagem da penetração original após envelhecimento de campo................................................................................................ QUADRO 4.11. 89. Relação de viscosidades entre o ligante asfáltico original e após RTFOT.............................................................................................. QUADRO 4.10. 86. após. envelhecimento................................................................................ QUADRO 4.9. 83. de. envelhecimento................................................................................ QUADRO 4.8. 83. 104. Relação de viscosidades entre o ligante asfáltico original e após usinagem........................................................................................... 106. QUADRO 4.13. Análise laboratório/campo da penetração......................................... 108. QUADRO 4.14. Análise laboratório/campo do ponto de amolecimento.................... 109. QUADRO 4.15. Análise laboratório/campo da recuperação elástica.......................... 110. QUADRO 4.16. Análise laboratório/campo da viscosidade dinâmica à 135° C......... 111. QUADRO 4.17. Análise laboratório/campo da viscosidade dinâmica à 155° C......... 111. QUADRO 4.18. Análise laboratório/campo da viscosidade dinâmica à 175° C......... 111.

(16) xvi. QUADRO 5.1. Relação de resistência à tração avaliados nas temperaturas de 40° e 25° C.............................................................................................. QUADRO 5.2. 115. Relação dos módulos de resiliência avaliados nas temperaturas de 40° e 25° C........................................................................................ 119. QUADRO 5.3. Relação MR/RT das misturas asfálticas da pesquisa........................ 122. QUADRO 5.4. Valores dos coeficientes k e n do modelo Nx∆σ.............................. 126. QUADRO 5.5. Variação da vida de fadiga segundo o nível de diferença de tensões aplicado................................................................................ QUADRO 5.6. Relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica com CAP – 20........................ QUADRO 5.7. 127. Análise de sensibilidade em relação a variação das tensões aplicadas (quanto a vida de fadiga).................................................. QUADRO 5.8. 126. 128. Comparação entre o módulo de resiliência e a resistência à tração a 25º C e a relação entre a vida de fadiga de cada mistura e a vida de fadiga da mistura com CAP – 20................................................. 130. QUADRO 5.9. Valores dos coeficientes k e n do modelo Nxεti.................................. 131. QUADRO 5.10. Vidas de fadiga em função do grau de deformação previamente definido............................................................................................. QUADRO 5.11. Relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica com CAP – 20........................ QUADRO 5.12. Caracterização. das estruturas adotadas na simulação. 142. Valores de módulo de resiliência das misturas asfálticas empregadas na simulação................................................................. QUADRO 6.4. 141. Modelos de comportamento utilizados na simulação com o programa FLAPS.............................................................................. QUADRO 6.3. 135. de. dimensionamento............................................................................. QUADRO 6.2. 134. Análise de sensibilidade em relação a variação das deformações sofridas (quanto a vida de fadiga)..................................................... QUADRO 6.1. 133. 142. Valores de diferença de tensões e vida de fadiga obtidos na simulação com o programa Flaps, para cada mistura asfáltica estudada............................................................................................ 143.

(17) xvii. QUADRO 6.5. Relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica confeccionada com CAP – 20, por diferença de tensões, para as duas estruturas (Flaps)........... QUADRO 6.6. 144. Valores de deformações específicas de tração iniciais e vida de fadiga obtidos na simulação com o programa Flaps, para cada mistura asfáltica estudada................................................................. QUADRO 6.7. 146. Relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica confeccionada com CAP – 20, por deformação específica de tração inicial, para as duas estruturas (Flaps).............................................................................. QUADRO 6.8. Caracterização das estruturas e dos módulos de resiliência adotados na simulação de dimensionamento.................................... QUADRO 6.9. 146 148. Valores de diferença de tensões e vida de fadiga com os dados obtidos na simulação com o programa Elsym-5 e a relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica confeccionada com o ligante CAP – 20, para as duas estruturas.............................................................................. QUADRO 6.10. 149. Valores de deformações específicas de tração iniciais e vida de fadiga com os dados obtidos na simulação com o programa Elsym-5 e a relação entre a vida de fadiga das misturas asfálticas estudadas e a vida de fadiga da mistura asfáltica confeccionada com o ligante CAP – 20, para as duas estruturas.............................. 150.

(18) xviii. LISTA DE ABREVIATURAS ηa, ηo, ηr. Nf N. ∆σ εt i εt. AASHTO ABNT AMRL ASTM CAP DER/PR DERSA DNER MR RT SHRP SUPERPAVE SBS EVA SBR BMP. Viscosidade em diferentes situações Vida de fadiga Número de ciclos Diferença de tensões Deformação específica de tração inicial Deformação específica de tração American Association of State Highway and Transportation Officials Associação Brasileira de Normas Técnicas AASHTO Materials Reference Laboratory American Society for Testing and Materials Cimento asfáltico de petróleo Departamento de Estradas de Rodagem do Estado do Paraná Desenvolvimento Rodoviário S/A Departamento Nacional de Estradas de Rodagem Módulo de Resiliência Resistência à tração por compressão diametral Strategic Highway Research Program Superior Performance Asphalt Pavements Estireno Butadieno Estireno Etileno-acetato de Vinila Estireno Butadieno Rubber Borracha Moída de Pneus.

(19) xix. RESUMO. O objetivo deste trabalho foi caracterizar a influência da adição de modificadores no envelhecimento dos ligantes asfálticos, através da caracterização de suas propriedades físicas e reológicas, e nas características mecânicas e de fadiga das misturas asfálticas dosadas com estes materiais. Um ligante asfáltico tradicional foi modificado por polímeros tipo SBS, EVA e borracha moída de pneus e submetido a ensaios de envelhecimento em laboratório e alguns tiveram seu comportamento observado no campo. Os ligantes asfálticos modificados apresentaram melhor resistência ao envelhecimento do que os ligantes tradicionais, sendo que dois destes, o modificado por EVA e por borracha moída de pneus, apresentaram melhoria na recuperação elástica após o ensaio RTFOT. Constatou-se que o ensaio RTFOT representa com muito mais efetividade o envelhecimento real de campo do que o ensaio TFOT, que é preconizado nas normas brasileiras. Em termos de comportamento mecânico, as misturas elaboradas com ligantes modificados por polímero apresentaram, com base nos ensaios de resistência à tração e módulo de resiliência, menor suscetibilidade térmica. Foi realizada uma análise paramétrica de duas estruturas de pavimento típicas do Sul do Brasil e constatou-se o melhor comportamento das misturas elaboradas com os ligantes modificados em relação aos ligantes asfálticos tradicionais..

(20) xx. ABSTRACT. The objective of this study aimed characterize the influence of the modifiers addition to the aging process of asphalt binders, through the characterization of their physical and rheological properties, and in the mechanical and fatigue characteristics of the asphalt mixes prepared with these materials. A traditional asphalt binder was modified by SBS and EVA polymers and ground tire rubber and submitted to laboratory aging tests and some had their behavior observed in the field. The modified binders showed better resistance to the aging process than the traditional asphalt binders. Two of them, the EVA modified and asphalt rubber enhanced the elastic recovery after the RTFOT test. It was verified that the RTFOT test shows with much more effectiveness the real aging than the TFOT test, that is preconized in Brazilian norms. Concerning the mechanical behavior, the mixes made with polymer modified binders showed better thermal susceptibility based on tests of indirect tension strenght and resiliency modulus. A parametric analysis of two paving structures that are typical of southern Brazil was conducted and a better behavior of the elaborated mixes with the modified binders in relation to the traditional asphalt binders was verified..

(21) 1. CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO O Brasil é um país por excelência rodoviário. Sua malha rodoviária é a principal via de circulação de pessoas e bens e este é um patrimônio que deve ser preservado. A preservação e a ampliação de nossa malha rodoviária pavimentada é uma das principais condições para o grande salto de desenvolvimento que o País precisa. É importante lembrar que veículos trafegando em rodovias em mau estado de conservação consomem mais combustível, aumentam seus custos de operação, perdem mais tempo ao percorrer suas rotas e estão expostos com mais frequência a acidentes. A manutenção da rede nacional pavimentada depende de recursos financeiros e planejamento estratégico adequados para manter o patrimônio existente. A falta de manutenção adequada, motivada por dificuldades financeiras pelas quais passam os órgãos rodoviários em nosso País, acrescida do excesso de carga dos caminhões e as deficiências construtivas nos mostram um quadro realmente preocupante com relação à preservação e eficiência do imenso patrimônio rodoviário nacional. O crescimento da frota circulante com veículos de maior capacidade de carga, maior tração e maior pressão de inflação dos pneus, aliado ao excesso de carga e ao maior espaçamento entre as intervenções de conservação e restauração contribuem para a deterioração das estradas do País. Todos estes fatos vêm preocupando os técnicos rodoviários, tendo em vista os efeitos das tensões transmitidas aos pavimentos e o número acumulado dos esforços causados pelo número crescente de solicitações, o que tem levado alguns pavimentos a um fracasso precoce (DNER 1998). Dentre as camadas componentes de um pavimento flexível, o revestimento asfáltico é que sofre o maior impacto das cargas solicitantes. O ligante asfáltico é o principal material aglutinante utilizado nos revestimentos do Brasil e o comportamento das misturas confeccionadas quanto ao envelhecimento e quanto a sua resistência principalmente à fadiga e à formação de trilhas de roda é muito importante para garantir a durabilidade dos revestimentos asfálticos..

(22) 2. Até meados dos anos 70, as refinarias processavam petróleos de origem definida, freqüentemente a partir de petróleo venezuelano, de reconhecida qualidade para a fabricação de ligantes asfálticos. Tal fato garantia a qualidade e a homogeneidade do ligante asfáltico. A partir dessa época, praticamente universalizou-se o processo de misturas de petróleos de variadas origens e diferentes processos de refino, além da extração de quantidades maiores de frações nobres gerando asfaltos consistentes, posteriormente corrigidos pela adição de gasóleo para obter o enquadramento da consistência. Todos estes fatos podem gerar o que se tem denominado de “heterogeneidade” dos ligantes asfálticos (PINTO, 1991). O ligante asfáltico sofre o processo de envelhecimento durante a sua usinagem, aplicação na pista e, também, durante a sua vida de serviço. Este fenômeno possui várias causas, sendo a principal delas a oxidação, cujo efeito, entre outros, é o aumento de consistência do ligante asfáltico. Um aumento desta consistência até determinados níveis é uma ocorrência inerente ao comportamento do ligante asfáltico. No entanto, um aumento exagerado desta consistência, principalmente em condições de tráfego pesado, pode diminuir significativamente a vida útil do revestimento. A previsibilidade do aumento desta consistência é um desafio aos técnicos rodoviários. As componentes de aumento das cargas aplicadas em nossas rodovias e a heterogeneidade dos ligantes asfálticos nos levou a refletir sobre como melhorar o comportamento mecânico das misturas asfálticas produzidas no Brasil. Esta melhoria deve levar em conta os danos causados pelas cargas solicitantes, o envelhecimento do ligante e a ação do meio ambiente. Nos últimos trinta anos, a Europa e os Estados Unidos e mais recentemente nosso País tem buscado materiais com melhores características para possibilitar esta melhoria. A adição de modificadores nos ligantes asfálticos, sendo polímeros, proporciona melhorias físicas, químicas e reológicas ao ligante asfáltico tradicional capazes de aumentar a sua durabilidade, por meio do aumento da recuperação elástica, aumento da resistência à deformação permanente e mitigação do envelhecimento. Esta melhora de comportamento do ligante asfáltico deve ser evidentemente balanceada com um custo razoável para sua utilização, tendo em vista que a tecnologia desprovida de viabilidade econômica não pode ser aproveitada pela comunidade rodoviária..

(23) 3. Objetivamente, a adição dos modificadores nos ligantes asfálticos tradicionais já é uma realidade, tímida, mas em expansão no Brasil. A caracterização da melhoria das propriedades do ligante asfáltico modificado e das características resistentes das misturas asfálticas confeccionadas com estes ligantes pode auxiliar a compreensão da sua mecânica de funcionamento e justificar a sua utilização, apesar do seu custo inicial mais elevado. 1.1 Objetivo do Trabalho - Geral O objetivo do trabalho é estudar a influência da adição de modificadores no envelhecimento dos ligantes asfálticos, através da caracterização de suas propriedades físicas e reológicas, e nas características mecânicas e de fadiga das misturas asfálticas dosadas com estes materiais. - Específicos a – Avaliar o envelhecimento dos ligantes asfálticos em laboratório e comparar com o envelhecimento que ocorre no campo, com o objetivo de verificar qual dos ensaios de envelhecimento em laboratório é mais representativo; b – Comparar o comportamento das propriedades mecânicas e de fadiga das misturas asfálticas confeccionadas com ligantes asfálticos convencionais e modificados por diferentes modificadores; c – Verificar para diferentes estruturas de pavimento, típicas da região Sul do País, qual dessas misturas apresenta melhor comportamento. 1.2 Procedimentos para Alcançar o Objetivo Os procedimentos para alcançar os objetivos deste trabalho são os seguintes: − Caracterização dos ligantes asfálticos, agregados e cal hidratada utilizados; − Avaliação do envelhecimento dos ligantes em laboratório; − Avaliação do envelhecimento dos ligantes no campo;.

(24) 4. − Avaliação do comportamento mecânico e à fadiga das misturas de concreto asfáltico usinado a quente através dos ensaios de resistência à tração por compressão diametral, módulo de resiliência e vida de fadiga; − Análise paramétrica; − Discussão dos resultados; − Conclusão. 1.3 Importância do Tema A adição de polímeros aos ligantes asfálticos tradicionais é uma tentativa de melhorar suas características físicas e reológicas, que se traduzem na melhoria de desempenho da mistura asfáltica em serviço. O envelhecimento do ligante que ocorre durante a sua usinagem e aplicação na pista, bem como durante toda a sua vida de serviço, é um dos fatores responsáveis pela diminuição da durabilidade das misturas asfálticas. Portanto, a compreensão deste fenômeno é muito importante para que se possa reduzir este envelhecimento, seja modificando a operação das usinas de asfalto e equipamentos de espalhamento e compactação, seja modificando o ligante asfáltico. O desempenho em termos de comportamento mecânico e à fadiga das misturas asfálticas confeccionadas com ligantes asfálticos modificadas por polímeros em comparação com as misturas preparadas com ligantes tradicionais também será avaliado e permitirá que se verifique a eficiência de um tipo e de outro. A avaliação da performance dos ligantes asfálticos com base no envelhecimento e com base nas propriedades mecânicas das misturas possibilitará o aprimoramento dos conhecimentos sobre os ligantes asfálticos modificados e tradicionais, contribuindo para a produção de misturas asfálticas mais duráveis e de maior benefício/custo para o nosso País. 1.4 Delimitação da Pesquisa A pesquisa ora apresentada foi desenvolvida com os cimentos asfálticos de petróleo – CAPs oriundos da Refinaria Presidente Vargas – REPAR, de Araucária no Estado do Paraná, coletados.

(25) 5. em janeiro de 2002. Esta informação é importante na medida da alta variabilidade que pode ocorrer na produção dos asfaltos em uma refinaria. Os ligantes utilizados na pesquisa foram caracterizados sob o ponto de vista físico e reológico. Esta pesquisa não envolve caracterização química de ligantes. Todos os ensaios realizados, do ligante ou da mistura asfáltica, foram passíveis de realização em nosso País com relativa facilidade, retratando a nossa realidade tecnológica. O agregado utilizado na confecção das misturas é granítico da região de Castro no Paraná. A pesquisa desenvolveu-se na Universidade Federal de Santa Catarina. A caracterização dos ligantes em suas várias fases, bem como a dosagem das misturas asfálticas foi realizada nos Laboratórios de Pesquisa da Greca Distribuidora de Asfaltos Ltda na cidade de Araucária/PR. Parte dos ensaios especiais de envelhecimento dos ligantes foi realizada no Instituto de Pesquisas Rodoviárias do Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes no Rio de Janeiro. Os ensaios de caracterização mecânica (resistência a tração por compressão diametral e módulo de resiliência) e à fadiga das misturas asfálticas foi realizada no LAPAV – Laboratório de Pavimentação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul em Porto Alegre/RS. 1.5 Organização do Trabalho Esta dissertação foi organizada nos seguintes capítulos: Capítulo 1: Introdução, expõe a importância do tema, a justificativa da necessidade de se produzirem revestimentos asfálticos mais duráveis, os objetivos da pesquisa e a organização da estrutura da pesquisa. Capítulo 2: Revisão Bibliográfica, contém aspectos relacionados aos temas do envelhecimento do ligante asfáltico e da avaliação das características mecânicas e à fadiga de misturas asfálticas. Capítulo 3: Metodologia e Materiais Empregados, define a metodologia utilizada na pesquisa e caracteriza todos os materiais empregados na confecção dos ligantes e das misturas asfálticas..

(26) 6. Capítulo 4: Apresentação e Discussão dos Resultados de Envelhecimento, apresenta e analisa os resultados obtidos sob os aspectos: análise de dosagem Marshall das misturas asfálticas, envelhecimento de ligantes em laboratório, envelhecimento de ligantes no campo e análise comparativa de envelhecimento campo versus laboratório. Capítulo 5: Apresentação e Discussão dos Resultados de Caracterização Mecânica e de Fadiga, apresenta e analisa os resultados de comportamento mecânico e à fadiga das misturas asfálticas analisadas. Capítulo 6: Análise Paramétrica, através de uma análise paramétrica de duas estruturas típicas do Sul do Brasil, indica qual ligante asfáltico utilizado na mistura asfáltica proporciona o melhor comportamento. Capítulo 7: Conclusões e Recomendações, apresenta as conclusões e recomendações advindas deste trabalho de pesquisa..

(27) 7. CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 O Fenômeno do Envelhecimento do Ligante Asfáltico O ligante asfáltico é basicamente um hidrocarboneto composto por moléculas de hidrogênio e carbono. A fórmula exata do ligante asfáltico é muito variável pois ele é um resíduo da produção do refino do petróleo cru e também depende do tipo de petróleo disponível no momento do refino. O betume como outras substâncias orgânicas é afetado pela presença de oxigênio, pela radiação ultravioleta e por variações de temperatura (WHITEOAK, 1990). É um material termoplástico, semi-sólido à temperatura ambiente, viscoelástico, que se comporta como um sólido vítreo a baixas temperaturas e/ou durante carregamento rápido (pequeno tempo de aplicação de carga – alta freqüência de aplicação) e como um fluído viscoso a altas temperaturas e/ou durante carregamento lento (longo tempo de aplicação de carga – baixa freqüência de aplicação). A resposta do ligante asfáltico ao esforço é, por conseqüência, dependente de ambos, temperatura e tempo de aplicação de carga. Conseqüentemente, a reologia do ligante asfáltico é definida pela sua resposta à tensão/deformação/tempo/temperatura (AIREY & BROWN, 1998). Envelhecimento de um ligante asfáltico pode ser definido como sendo o processo de endurecimento que este sofre durante a estocagem, usinagem, aplicação e em serviço, responsável pela alteração de suas características físicas, químicas e reológicas que causam um aumento na sua consistência (TONIAL, 2001). O ligante asfáltico é utilizado como material de pavimentação na Europa desde a metade do século XIX e nos Estados Unidos, desde o fim do mesmo século. O primeiro estudo sobre envelhecimento de ligante asfáltico foi realizado por A.W. Dow denominado Asphalt Experiments at Washington, no ano de 1903, este relatou que o aquecimento do ligante asfáltico reduzia o peso e a penetração do ligante asfáltico recuperado de misturas. Pesquisas mais amplas sobre o assunto começaram por volta de 1930 (BELL, WIEDER & FELLIN, 1994). Atualmente um dos grandes desafios da pavimentação a quente é reduzir o envelhecimento do ligante asfáltico durante todo o seu ciclo de aplicação..

(28) 8. Como outras substâncias orgânicas, o ligante asfáltico oxida lentamente quando em contato com o ar. Os grupos polares oxigenados tendem a associar-se, formando micelas de alto peso molecular e graças a isso ocorre um aumento da viscosidade do ligante asfáltico. Estas transformações geradas resultam em moléculas maiores e mais complexas que fazem o ligante asfáltico endurecer e ficar menos flexível (TONIAL, 2001). O grau de oxidação é altamente dependente da temperatura, superfície e tempo de exposição e da espessura da película de ligante asfáltico. A taxa de oxidação dobra a cada 10º C de aumento na temperatura do ligante acima dos 100º C (WHITEOAK, 1990). O endurecimento devido à oxidação há algum tempo vem sendo considerado a principal causa de envelhecimento do ligante asfáltico (WHITEOAK, 1990 & LEITE, 1999). A oxidação, juntamente com os fatores que governam a velocidade da reação e seus eventuais efeitos, é de importância crítica para a qualidade do ligante asfáltico e para o sucesso do produtor da mistura asfáltica (BROCK, 1996). A Figura 2.1, extraída do Shell Bitumen Handbook (WHITEOAK, 1990), evidencia de maneira clara a gravidade do fenômeno. Na Figura, o Índice de Envelhecimento é representado pela razão. ηa/ηo,. onde. ηa. representa a viscosidade em uma dada condição de envelhecimento e. ηo,. representa a viscosidade inicial do ligante asfáltico. Segundo a Figura 2.1, o envelhecimento do ligante asfáltico do revestimento ocorre em três etapas: a primeira, de maior impacto, se dá quando da usinagem da mistura asfáltica e representa cerca de 60% do envelhecimento total sofrido pelo ligante; a segunda, se dá durante a estocagem (comum em usinas americanas de grande porte, mas não no Brasil), transporte, espalhamento e compactação, representando cerca de 20% do envelhecimento total sofrido pelo ligante; na terceira etapa, o envelhecimento ocorre durante a vida útil do revestimento e se dá devido à ação do meio ambiente e representa cerca de 20% do envelhecimento total sofrido pelo ligante. Embora não ilustrado na Figura 2.1, há que se ressaltar que a primeira alteração propriamente dita da estrutura química do ligante asfáltico após a sua produção pode ocorrer já durante a sua estocagem, mas em menor grau, pois a superfície exposta ao ar no tanque é pequena em relação a massa total do produto (TONIAL, 2001)..

(29) 9. Figura 2.1 – Envelhecimento do ligante asfáltico nas etapas de construção e de utilização do pavimento (WHITEOAK, 1990). De acordo com a Figura 2.1, verifica-se que cerca de 80% do envelhecimento total sofrido pelo ligante asfáltico durante toda a vida útil de um revestimento ocorre durante a usinagem e aplicação da mistura asfáltica, o que vem a enfatizar o apurado controle e cuidados técnicos que se deve ter com as temperaturas de industrialização das misturas. Fisicamente, o envelhecimento de um ligante asfáltico é representado pelo aumento de sua consistência e se apresenta, de uma forma geral, como um aumento de viscosidade associado à uma diminuição da penetração e aumento do ponto de amolecimento, com perda de suas características aglutinantes (WHITEOAK, 1990 & PINTO, 1991). Esse aumento de consistência influencia o comportamento físico e reológico do ligante asfáltico, deixando-o mais duro e, por conseguinte, mais quebradiço, menos dúctil e menos elástico..

(30) 10. Segundo TRAXLER, 1961 (citado por BELL, WIEDER & FELLIN, 1994), as causas do envelhecimento do ligante asfáltico são: 1) Oxidação; 2) Volatilização; 3) tempo (conduz a estruturação ou endurecimento); 4) polimerização induzida pela radiação solar; e, 5) polimerização (por aquecimento). TRAXLER expandiu esta lista para 15 itens em 1963. Os efeitos da luz foram divididos entre envelhecimento pela luz direta e pela luz refletida. Deterioração microbiológica também foi considerada como responsável pelo endurecimento do ligante asfáltico. Já para PETERSEN, 1984 (citado por BELL, WIEDER & FELLIN, 1994), três são as principais causas do envelhecimento do ligante asfáltico: 1) perda de componentes oleosos por volatilização ou adsorção; 2) mudanças na composição por reação com o oxigênio atmosférico; e, 3) efeitos tixotrópicos que produzem a estruturação molecular. De acordo com WHITEOAK (1990), quatro são os mecanismos principais responsáveis pelo envelhecimento do ligante asfáltico: - Oxidação: como outras substâncias orgânicas, o ligante asfáltico oxida lentamente quando em contato com o ar. Durante o processo de usinagem, a presença de oxigênio, a grande superfície específica dos agregados e as altas temperaturas dentro do pug-mill ou dentro do tambor-secador-misturador propiciam a oxidação; - Perda de voláteis, a evaporação de componentes voláteis depende também da temperatura e da condição de exposição. Esta perda pode ser considerada baixa em ligantes asfálticos puros tendo em vista que estes têm baixos teores de voláteis; - Endurecimento físico ocorre à temperatura ambiente e é atribuído à reordenação de moléculas e a cristalização de parafinas. Este é um fenômeno reversível; e,.

(31) 11. - Endurecimento exsudativo resulta do movimento dos componentes oleosos que exsudam do ligante asfáltico para dentro do agregado mineral. Esta é uma função tanto da tendência de exsudação do ligante como da porosidade do agregado. Enquanto o mecanismo de envelhecimento do ligante e da mistura é complexo, seu impacto sobre o desempenho do pavimento é geralmente compreendido. Como o ligante asfáltico envelhece, isto resulta em um aumento da rigidez deste ligante e, conseqüentemente, da mistura asfáltica. Este efeito tende a aumentar a resistência à formação das trilhas de roda da mistura e pode ser considerado como um efeito benéfico do envelhecimento. Por outro lado, o envelhecimento pode resultar no desenvolvimento e/ou aceleração de vários tipos de problemas, tais como trincamento e fratura por fadiga, trinca térmica e deterioração devido ao desgaste e à umidade, esforços que podem levar à falência da estrutura do pavimento (BELL, WIEDER & FELLIN, 1994; MIRZA & WITCZAK, 1995). 2.1.1 Fatores Químicos e Reológicos sobre o Envelhecimento do Ligante Asfáltico. Nos últimos 50 anos, significativas pesquisas foram realizadas em todo o mundo sobre aplicação e comportamento das misturas asfálticas. Enquanto enormes avanços foram alcançados neste estado da arte, o problema do endurecimento/envelhecimento do ligante asfáltico no processo de usinagem e na sua vida de serviço ainda carece de estudos adicionais para seu completo entendimento. A configuração interna da estrutura de um ligante asfáltico é predominantemente determinada pela constituição química das espécies de moléculas presentes. Análises elementares de ligantes asfálticos oriundos de vários óleos crus mostram que a maior parte dos ligantes contém (WHITEOAK, 1990): - Carbono:. 82 – 88 %;. - Hidrogênio. 8 – 11 %;. - Enxofre. 0 – 6 %;. - Oxigênio. 0 – 1,5 %; e,. - Nitrogênio. 0 – 1 %..

(32) 12. Segundo MIRZA & WITCZAK (1995), um dos fatores que afetam o envelhecimento do ligante asfáltico é a sua composição química original. Historicamente, os cimentos asfálticos são classificados por especificações baseadas em faixas de valores de consistência a uma ou mais temperaturas. Isto se deve à facilidade de medir estas propriedades físicas em comparação às propriedades químicas. A classificação dos ligantes asfálticos por propriedades físicas não é totalmente precisa pois, embora dois ou mais cimentos asfálticos tenham valores de consistência similares, podem ter composições químicas totalmente diferentes devido às diferentes fontes de óleo cru, processos de refino e nível de aditivos presentes (óleos voláteis, por exemplo). A correta composição varia de acordo com a fonte do óleo cru da qual o ligante asfáltico é obtido. A correta composição química do ligante asfáltico é extremamente complexa e sua completa análise (se possível) seria extremamente laboriosa e produziria uma quantidade de dados tão grande que a correlação com as propriedades reológicas seria praticamente impossível. No entanto, é possível separar o ligante asfáltico em dois grandes grupos químicos denominados de asfaltenos e maltenos. Os maltenos podem ainda ser subdivididos em saturados, aromáticos e resinas. (WHITEOAK, 1990). A Figura 2.2 apresenta esquematicamente a análise de. composição química de um ligante através da técnica de cromatografia. O ligante asfáltico é tradicionalmente considerado como um sistema coloidal consistindo de micelas de asfalteno de alto peso molecular dispersas ou dissolvidas em um meio oleoso de baixo peso molecular (maltenos). A Figura 2.3 ilustra o enunciado acima..

(33) 13. Figura 2.2 – Representação esquemática da análise da composição química de um ligante asfáltico (WHITEOAK, 1990).. Figura 2.3 – Representação da estrutura coloidal de cimento asfáltico (YEN, 1991)..

(34) 14. Segundo TONIAL (2001), durante o processo de envelhecimento ocorre normalmente uma diminuição do teor de aromáticos, que se transforma em resina, que por sua vez, parte se transforma em asfaltenos. Ao final do processo, o balanço é o seguinte: ocorre pequena ou nenhuma variação do teor de saturados e resinas, diminuição do teor de aromáticos e aumento no teor de asfaltenos. Visando ilustrar a mudança da composição química do ligante asfáltico com o tempo, AIREY & BROWN (1998), no Quadro 2.1, apresentam as mudanças de porcentagem dos componentes químicos do ligante asfáltico denominados Saturados, Aromáticos, Resinas e Asfaltenos, obtidos através do cromatógrafo de película fina Iatroscan, de três ligantes asfálticos originais após a realização dos ensaios de envelhecimento RTFOT e PAV. Os ligantes asfálticos originais são oriundos de diferentes fontes, com composições químicas diferentes, mas com valores de consistência similares e são os seguintes: Oriente Médio, com penetração 80/100; Rússia, com penetração de 80; e Venezuela, com penetração entre 70/100. Quadro 2.1 – Mudanças na composição química dos ligantes asfálticos após ensaios de envelhecimento (AIREY & BROWN, 1998). Ligante Asfáltico Oriente Médio. Rússia. Venezuela. Saturados. Aromáticos. Resinas. Asfaltenos. (%). (%). (%). (%). Original. 5. 69. 15. 11. Após RTFOT. 6. 61. 20. 13. Após PAV. 6. 52. 24. 18. Original. 4. 68. 19. 9. Após RTFOT. 4. 64. 21. 11. Após PAV. 5. 52. 28. 15. Original. 11. 58. 17. 14. Após RTFOT. 13. 54. 17. 16. Após PAV. 12. 47. 21. 20. Condição. Os três ligante asfálticos, após os ensaios de envelhecimento, experimentaram um decréscimo na porcentagem dos aromáticos e um aumento na porcentagem dos asfaltenos e resinas (resultando em um aumento do peso molecular). A porcentagem em massa dos saturados manteve-se constante..

(35) 15. Estudos de longo prazo têm sido empregados para determinar se a composição química do ligante asfáltico muda com o tempo. Para tanto, devem ser apreciados diferentes tipos de misturas, de agregados e de teores de ligante, visando obter dados consistentes e de diferentes situações das misturas asfálticas no campo. CHIPPERFIELD, DUTHIE & GIRDLER, 1970 (citados por WHITEOAK, 1990) e também o próprio WHITEOAK, 1990, apresentam, na Figura 2.4, os resultados de seus estudos em termos de Índice de Envelhecimento (relação entre a viscosidade do ligante asfáltico recuperado, ηr, e a viscosidade inicial do ligante, ηo, a 25° C) e em termos de componentes químicos.. Ligante original Depois da usinagem Depois da compactação. Índice de envelhecim ento. Peso em porcentagem. Saturados Aromáticos. Resinas. Asfaltenos. Vida de ser viço, anos. Figura 2.4 – Alterações na composição química do ligante asfáltico após usinagem, aplicação e durante a vida de serviço (WHITEOAK, 1990). De acordo com a Figura 2.4, as maiores mudanças na viscosidade são associadas à usinagem e à aplicação da mistura asfáltica na pista, como já foi demonstrado na Figura 2.1. Adicionalmente, a Figura 2.4 também apresenta a variação da composição química do ligante asfáltico com o tempo..

(36) 16. Pode-se observar que o teor de asfaltenos aumenta significativamente durante a usinagem e depois, gradualmente ao longo do tempo. Já o teor de resinas e aromáticos decresce com o tempo. Era esperada uma pequena mudança no teor de saturados. Algum aumento foi notado, provavelmente devido ao óleo derramado pelos veículos na pista que pode ter interferido nos resultados obtidos. Outra maneira de caracterizar o efeito do envelhecimento é através dos testes reológicos empíricos tradicionais, que são rápidos e de fácil execução, como a penetração, o ponto de amolecimento e medidas de viscosidades. Estes ensaios parecem capazes de descrever adequadamente as mudanças no comportamento reológico nos ligantes tradicionais depois do envelhecimento. O Quadro 2.2 apresenta os resultados dos estudos de AIREY & BROWN (1998) sobre as mudanças na reologia do ligante asfáltico decorrentes dos ensaios de envelhecimento com os mesmos ligantes caracterizados quimicamente no Quadro 2.1. Quadro 2.2 - Mudanças nos ensaios convencionais dos ligantes asfálticos após ensaios de envelhecimento (AIREY & BROWN, 1998). Ligante Asfáltico. Característica. Original. Após RTFOT. Índice de Envelhecimento Após PAV. RTFOT/. PAV/. Original. Original. Pen (0,1 mm). 60. 45. 24. 0,75. 0,4. PAmol (ºC). 48,8. 52,6. 59,3. 1,08. 1,22. Visc60ºC (P). 262. 505. 2038. 1,93. 7,78. Visc135ºC (cP). 510. 660. 1030. 1,29. 2,02. Pen (0,1 mm). 73. 51. 24. 0,7. 0,33. Rússia. PAmol (ºC). 47. 50,8. 57,3. 1,08. 1,22. 80. Visc60ºC (P). 165. 343. 1028. 2,08. 6,23. Visc135ºC (cP). 370. 470. 760. 1,27. 2,05. Pen (0,1 mm). 81. 53. 28. 0,75. 0,4. Venezuela. PAmol (ºC). 46,8. 51,2. 59,2. 1,09. 1,26. 70/100. Visc60ºC (P). 213. 455. 1950. 2,14. 9,15. Visc135ºC (cP). 380. 520. 870. 1,37. 2,29. Oriente Médio 80/100.

(37) 17. O comportamento reológico dos ligantes, como esperado, se traduziu, após os ensaios de envelhecimento, em diminuição da penetração e aumento do ponto de amolecimento e das viscosidades. 2.1.2 Fatores que Influenciam no Processo de Envelhecimento do Ligante Asfáltico em uma Mistura Asfáltica. O envelhecimento de um ligante asfáltico pode ser dividido em duas fases: envelhecimento de curto prazo, devido à usinagem da mistura asfáltica, seu espalhamento e até o término da sua compactação; e, envelhecimento de longo prazo, que ocorre durante a vida útil do revestimento (MIRZA & WITCZAK, 1995). As circunstâncias em que ocorre o envelhecimento do ligante asfáltico. variam. consideravelmente. Durante sua estocagem, grandes volumes de ligante asfáltico são mantidos a altas temperaturas por vários dias. Durante a usinagem, transporte e aplicação, finíssimas películas de ligante asfáltico são expostas a altas temperaturas por um curto período de tempo e durante a sua vida de serviço, esta mesma finíssima película de ligante é exposta a moderadas variações de temperatura durante um longo período de tempo, coincidente com a vida de serviço do revestimento. O envelhecimento do ligante asfáltico durante a sua estocagem em tanques a altas temperaturas é muito pequeno. Isto se deve a pequena superfície de exposição ao oxigênio em relação ao volume total do ligante (WHITEOAK, 1990). 2.1.2.1 Envelhecimento de curto prazo O envelhecimento de curto prazo é decorrente da usinagem, transporte, distribuição e compactação da mistura asfáltica na pista. Durante estas etapas, o ligante asfáltico é exposto a altas temperaturas e grande superfície de exposição (pequenas espessuras de ligante sobre o agregado aquecido) em um período relativamente curto de tempo (25 a 50 segundos, dependendo do tipo de usina de asfalto empregada)..

(38) 18. A temperatura de usinagem, envolvendo a associação da temperatura do ligante e dos agregados, é uma das principais causas do envelhecimento de curto prazo do ligante asfáltico (TONIAL, 2001). Durante a mistura destes insumos, com duração variável dependendo do tipo de usina utilizada, uma fina camada de ligante asfáltico recobrirá os agregados. As altas temperaturas, tanto do ligante como do agregado ou de ambos, a presença de oxigênio e a grande superfície de exposição, levam a um incremento da taxa de envelhecimento do ligante asfáltico. Para ilustrar a importância da temperatura no envelhecimento do ligante asfáltico, apresenta-se a Figura 2.5, em que se pode visualizar o aumento de consistência do ligante (traduzido em ° C de. Aumento no Ponto de Amolecimento , º C. aumento do ponto de amolecimento) em função do aumento da temperatura de usinagem.. Temperatura de Usinagem, ° C. Figura 2.5 – Relação entre a temperatura de usinagem da mistura asfáltica e o aumento no ponto de amolecimento do ligante asfáltico (WHITEOAK, 1990). O aumento do ponto de amolecimento observado na Figura 2.5, demonstra que a exposição do ligante durante a usinagem a temperaturas mais altas apresenta, proporcionalmente, um aumento de consistência ou endurecimento que inevitavelmente enrijecerá também a mistura asfáltica..

(39) 19. A taxa de envelhecimento depende do tipo de mistura, da sua temperatura, do período de duração da usinagem, do seu teor de betume e por, conseqüência, da espessura da película de ligante asfáltico e até mesmo do tipo de usina utilizado, se gravimétrica ou contínua (WHITEOAK, 1990; MIRZA & WITCZAK, 1995). A prevenção do endurecimento prejudicial durante a usinagem depende do conhecimento e controle de todos estes fatores intervenientes. Durante a usinagem, a superfície de todos os agregados é recoberta com uma fina película de ligante (variável entre 5 e 15 micras de espessura). BROCK (1996) apresenta o seguinte raciocínio: “se fosse possível distribuir em uma superfície plana contínua, toda a superfície dos agregados a ser recoberta com uma espessura de 10 micras de ligante asfáltico, com ligante suficiente para fabricar uma tonelada de massa asfáltica com teor de 6%, ter-se-ia uma superfície plana de 5.330 m2 ”. Isto demonstra o quanto a superfície de exposição é grande em relação a espessura da película e, portanto, demonstra como é maximizado o contato do ligante com o oxigênio do ar. Segundo CAMPEN ET AL (citados por KANDHAL & CHAKRABORTY, 1996), películas de ligante asfáltico mais espessas produzem misturas flexíveis e duráveis enquanto que películas excessivamente finas, produzem misturas frágeis/quebradiças, tendendo a trincarem. A Figura 2.6, extraída do Shell Bitumen Handbook (WHITEOAK, 1990), demonstra o efeito da espessura de película de ligante asfáltico no seu envelhecimento. Na Figura,. ηa representa a. viscosidade em uma dada condição de envelhecimento e ηo, representa a viscosidade inicial do ligante. Segundo a Figura 2.6, na medida em que se aumenta a espessura de película de ligante asfáltico sobre o agregado, menor será o Índice de Envelhecimento, traduzido em função de uma relação de viscosidades entre o ligante original antes e após o envelhecimento. Isto demonstra um menor aumento de consistência do ligante asfáltico quanto maior for a espessura de película sobre o agregado. Durante a aplicação da mistura asfáltica no campo, em que se pode considerar as atividades de transporte, distribuição e compactação da mistura asfáltica, o envelhecimento do ligante asfáltico persiste até o total resfriamento do revestimento..