UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO TECNOLÓGICO – CTC
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL – ECV
Yuri Mello Müller de Oliveira
AVALIAÇÃO E PREVISÃO DO COMPORTAMENTO DE
MISTURAS ASFÁLTICAS POR MEIO DA CARACTERIZAÇÃO
DAS PROPRIEDADES REOLÓGICAS DOS LIGANTES
ASFÁLTICOS
Trabalho Conclusão do Curso de
Graduação em Engenharia Civil do
Centro Tecnológico da Universidade
Federal de Santa Catarina como
requisito para a obtenção do Título
de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof
a. Liseane Padilha
Thives, Dr
a.
Yuri Mello Müller de Oliveira
AVALIAÇÃO E PREVISÃO DO COMPORTAMENTO DE MISTURAS ASFÁLTICAS POR MEIO DA CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES
REOLÓGICAS DOS LIGANTES ASFÁLTICOS
Este Trabalho Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do Título de “Engenheiro Civil” e aprovado em sua forma final pelo Departamento de Engenharia
Civil da Universidade Federal de Santa Catarina.
Florianópolis, 5 de julho de 2019.
Profa. Lia Caetano Bastos, Dra. Coordenadora do TCC
Banca Examinadora:
___________________________________ Profa. Liseane Padilha Thives, Dra
Orientadora
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Rafael Augusto dos Reis Higashi, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Kátia Aline Bohn, MSc.
AGRADECIMENTOS
Gostaria de primeiramente agradecer a minha família em especial minha mãe Ana, meu irmão Lucas e também minha namorada Ana Luiza, que foram todos fundamentais em todo o decorrer do curso e especialmente nesse final. Também ao meu falecido pai que teve um papel muito importante na minha formação e incentivou muito na minha escolha desse curso.
Agradeço muito a professora Liseane que me ensinou muito e sem ela não seria possível fazer um TCC em reologia de asfaltos. Foi quem me possibilitou os primeiros e últimos passos dentro do curso de graduação. Desde o inicio com a bolsa do programa Jovens talentos para Ciência, seguido por uma bolsa de monitoria e duas bolsas PIBIC, até a conclusão de tudo com o TCC.
Agradeço a empresa CBB asfaltos de Curitiba que foi quem disponibilizou as amostras de asfaltos utilizadas na pesquisa realizada no TCC. Além de nos receberem muito bem em sua sede e nos mostrarem o funcionamento de sua usina.
Por último gostaria de agradecer todos os colegas e professores com quem convivi durante todos esses anos do curso de Engenharia Civil.
RESUMO
As estradas representam o principal meio de transporte no território brasileiro. Isso torna a pavimentação asfáltica de suma importância para o desenvolvimento e adequado funcionamento do país nos segmentos da economia. Apesar dessa necessidade, os órgãos rodoviários do Brasil ainda utilizam métodos e normas antigas e desatualizadas para caracterização dos materiais de pavimentação e de dimensionamento. No entanto, a partir de década de 1990 foram desenvolvidos novos métodos e técnicas as quais a caracterização dos materiais de pavimentação reflete seu comportamento em campo. Relativamente ao asfalto, ligante mais utilizado na produção de misturas asfálticas quentes, utilizadas como revestimento de pavimentos flexíveis, foram introduzidos novos ensaios por meio da reologia. Por meio dos ensaios convencionais não é possível relacionar as características dos ligantes com as propriedades de desempenho das misturas asfálticas em campo. Esse trabalho busca a análise e comparação dos parâmetros reológicos de quatro tipos diferentes de ligantes asfálticos. Os ligantes analisados são o convencional CAP50/70, asfalto modificado com borracha de pneus inservíveis (asfalto borracha), asfalto modificado com Terpolímero Elastomérico Reativo (RET), asfalto modificado com estireno-butadieno-estireno (SBS). A análise foi realizada por meio do equipamento Reômetro de Cisalhamento Dinâmico (DSR). Foram realizados dois ensaios distintos para determinar o modulo complexo de cisalhamento (G*) e o ângulo de fase (δ), que são os parâmetros reológicos requeridos para o ligante. Inicialmente, foi executado o ensaio para determinar o Grau PG verdadeiro (Performance Graded) de cada ligante a alta temperatura e posteriormente, ensaios de cisalhamento com varredura de frequências e de temperaturas. Foram utilizadas temperaturas próximas as de trabalho, de modo a simular as temperaturas de campo, possibilitando a geração da curva mestra ou master curve. A partir dos resultados obtidos, quanto ao Grau PG, o asfalto borracha apresentou melhor desempenho, seguido pelo o asfalto modificado RET e pelo asfalto modificado SBS. O asfalto convencional CAP 50/70 apresentou o menor Grau PG. Relativamente aos módulos de perda e de armazenamento, o mesmo comportamento foi observado, ou seja, os asfaltos modificados apresentaram um módulo elástico superior e o asfalto convencional um módulo viscoso mais elevado. A curva mestra gerada para os diferentes asfaltos mostrou que os asfaltos modificados apresentaram resultados próximos, porém o asfalto modificado por SBS obteve uma menor susceptibilidade quanto à variação da temperatura e da frequência, seguido pelo asfalto modificado RET e pelo asfalto borracha. O asfalto convencional CAP 50/70 apresentou o comportamento mais desfavorável. Por outro lado, quanto à avaliação de predição à deformação permanente, o asfalto borracha foi aquele que mostrou o melhor comportamento. Na avaliação da previsão de desempenho à fadiga, os asfaltos modificados RET e SBS seriam indicados. Apesar dos asfaltos modificados terem apresentado desempenho semelhante, a partir dos ensaios reológicos, a indicação de uma estrutura de pavimento em campo é de uma camada de revestimento em mistura asfáltica com asfalto borracha e uma camada de ligação em mistura com asfalto com RET ou SBS. O asfalto convencional CAP 50/70 apresentou um desempenho inferior em relação aos modificados, de forma que não seria indicado para compor camadas de pavimentos em vias de tráfego médio a elevado.
ABSTRACT
Roads represent the main way of transportation all over Brazilian territory. It turns the asphalt paving of capital importance for the development and proper operation of the country on all economic segments. In spite of this relevance, the institutions responsible for the roads in Brazil still use old methods and standards and old of dated to describe the paving materials and design. However, in the decade of 1990 were developed new techniques and methods, which describes better the materials behavior. So the asphalt, is the binder most commonly used in hot mix production, used as the top layer of the flexible pavement, new tests were introduced by rheology studies. Using just the conventional tests it is not possible to correlate the binder qualities with the mixture characteristics. This study tries to analyze and compare rheological parameters of four different asphalt binders. The four asphalt samples are the conventional CAP 50/70, modified asphalt with tire rubber (Rubber Asphalt), modified asphalt with RET, modified asphalt with styrene-butadiene-styrene (SBS). The analyzes were conducted by using the Dynamic Sheer Rheometer (DSR). Two different sets of tests were made to find the complex sheer modulus (G*) and the faze angle (δ), which are two required rheological parameters for the binder. At first the test to find the PG temperature (Performance Graded) of each sample at high temperature and after, the sheer test with a range of frequencies and temperatures. To generate the master curve of each sample were used temperatures close to the working. With the data in hand, about the PG temperature, the rubber asphalt had the best result, followed by the RET and the SBS. The conventional asphalt CAP 50/70 was the one with the worst results. Regarding the storage and loss modulus, the same pattern was observed, in other words, the modified asphalt had higher storage modulus while the conventional had a higher loss modulus. The master curve produced for each sample has shown that the modified ones have had close results, yet the SBS showed a lower temperature susceptibility for the temperature and frequency ramp, followed by the RET and the rubber. The conventional CAP 50/70 showed the least favorable results. On the other hand, regarding the permanent deformation the rubber asphalt showed the best results. About the creep phenomenon the RET and SBS had best results. Even though, the modified have had similar outcomes, by the rheological tests, the recommendation to a pavement structure is one layer of rubber asphalt mixture, and a binder layer with RET or SBS mix. The conventional asphalt CAP 50/70 had a worst performance when comparing with the other three, not been indicated to be used on a layer of a medium or high traffic road.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Estrutura de um pavimento flexível. ... 18
Figura 2. Especificação do CAP no Brasil. ... 20
Figura 3. Tensão de cisalhamento aplicada e deformação resultante. ... 22
Figura 4. Amostra de ligante ensaiada no reômetro. ... 24
Figura 5. Microscopia por varredura em asfalto borracha. ... 24
Figura 6. Correlação entre o parâmetro G*/senδ do ligante asfáltico e a taxa média de acumulação da deformação (S) da mistura asfáltica (ensaio de deformação permanente). ... 26
Figura 7. Correlação entre o parâmetro G*.senδ do ligante asfáltico e a resistência à fadiga da mistura asfáltica. ... 26
Figura 8. Revestimento trincado por fadiga. ... 28
Figura 9. Esquematização dos casos típicos de deformação permanente. ... 29
Figura 10. Deformação permanente. ... 29
Figura 11. Equipamento RTFOT. ... 31
Figura 12. Equipamento PAV ... 31
Figura 13. Representação de G*, δ, G' e G'' em um eixo cartesiano. ... 33
Figura 14. Especificação do asfalto borracha no Brasil. ... 34
Figura 15. Estrutura química do polímero RET. ... 36
Figura 16. Estrutura química do polímero SBS. ... 36
Figura 17. Representação no Plano Cole-Cole. ... 39
Figura 18. Representação do Espaço de Black. ... 40
Figura 19. Etapas da metodologia adotada. ... 41
Figura 20. Amostras coletadas. ... 46
Figura 21. Princípio de funcionamento do reômetro. ... 47
Figura 22. Reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) da UFSC. ... 47
Figura 23. Especificações dos ligantes do SUPERPAVE®. ... 50
Figura 24. Grau PG a alta temperatura dos asfaltos. ... 53
Figura 25. Parâmetro G*.senδ dos diferentes asfaltos e temperaturas. ... 54
Figura 26. Parâmetro G*/senδ dos diferentes asfaltos e temperaturas. ... 54
Figura 27. Módulos complexos dos ligantes a diferentes temperaturas. ... 55
Figura 28. Plano Cole-Cole do asfalto convencional CAP 50/70. ... 56
Figura 30. Curvas isotérmicas do asfalto convencional CAP 50/70. ... 57
Figura 31. Curvas isócronas do asfalto convencional CAP 50/70. ... 58
Figura 32. Curva mestra do asfalto convencional CAP 50/70. ... 58
Figura 33. Plano Cole-Cole do asfalto borracha. ... 59
Figura 34. Espaço de Black do asfalto borracha. ... 59
Figura 35. Curvas isotérmicas do asfalto borracha. ... 60
Figura 36. Curvas isócronas do asfalto borracha. ... 60
Figura 37. Curva mestra do asfalto borracha. ... 61
Figura 38. Plano Cole-Cole do asfalto RET. ... 61
Figura 39. Espaço de Black do asfalto RET. ... 62
Figura 40. Curvas isotérmicas do asfalto RET. ... 62
Figura 41. Curvas isócronas do asfalto RET. ... 63
Figura 42. Curva mestra do asfalto RET. ... 63
Figura 43. Plano Cole-Cole do asfalto SBS. ... 64
Figura 44. Espaço de Black do asfalto SBS. ... 64
Figura 45. Curvas isotérmicas do asfalto SBS. ... 65
Figura 46. Curvas isócronas do asfalto SBS. ... 65
Figura 47. Curva mestra do asfalto SBS. ... 66
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Resultados dos ensaios de caracterização do CAP 50/70. ... 42
Tabela 2. Resultados dos ensaios de caracterização do asfalto borracha. ... 43
Tabela 3: Resultados dos ensaios de caracterização do asfalto RET. ... 44
Tabela 4: Resultados dos ensaios de caracterização do asfalto SBS. ... 45
Tabela 5. Resultados dos ensaios reológicos do CAP 50/70. ... 51
Tabela 6. Resultados dos ensaios reológicos do asfalto borracha. ... 51
Tabela 7. Resultados dos ensaios reológicos do asfalto RET. ... 52
Tabela 8. Resultados dos ensaios reológicos do asfalto SBS. ... 52
Tabela 9. Grau PG verdadeiro dos asfaltos a alta temperatura. ... 52
Tabela 10. Parâmetro G*.senδ dos diferentes asfaltos e temperaturas. ... 53
Tabela 11. Parâmetro G*/senδ dos diferentes asfaltos e temperaturas. ... 54
Tabela 12. Valores dos módulos complexos dos ligantes a diferentes temperaturas. .... 55
Tabela 13. Parâmetros de translação C1 e C2 do CAP 50/70 para diferentes temperaturas. ... 66
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
CAP Cimento Asfáltico de Petróleo
DSR Reômetro de Cisalhamento Dinâmico DTT Prensa de Tração Direta
PG Performance Graded LAS Linear Amplitude Sweep
MSCR Multiple Stress Creep and Recovery Test NBR Norma Brasileira Regulamentadora PAV Pressure Aging Vessel
RET Reactive Elastomeric Terpolymer RTFOT Rolling Thin Film Oven Test SBS Estireno-Butadieno-Estireno
SHRP Strategic Highway Research Program RTFOT Rolling Thin Film Oven Test
LISTA DE SÍMBOLOS ° Graus °C Graus Celsius δ Ângulo de fase % Porcentagem Cp Centipoise cm Centímetros
G* Modulo Complexo de Cisalhamento G’ Módulo de Armazenamento ou Elástico G’’ Módulo de Perda ou Viscoso
Hz Hertz
kg/m3 Quilograma por metro cúbico
min Minuto
mm Milímetro
MPa Mega Pascal
N Número de ciclos
Pa Pascal
S Slope
T1 Temperatura antes da falha
T2 Temperatura após a falha
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 13 1.1. Considerações iniciais ... 13 1.2. Objetivos ... 16 1.3. Organização do trabalho ... 16 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 18 2.1. Pavimento ... 18 2.2. Asfaltos ... 19
2.3. Reologia dos ligantes asfálticos ... 21
2.4. Degradação do pavimento ... 27
2.4.1. Fadiga ... 27
2.4.2. Deformação permanente ... 28
2.5. Superior Performing Asphalt Pavements (SUPERPAVE®) ... 30
2.6. Parâmetros reológicos ... 32
2.7. Asfaltos modificados ... 34
2.7.1. Asfaltos Borracha ... 34
2.7.2. Asfaltos com polímero RET ... 35
2.7.3. Asfaltos com polímero SBS ... 36
2.8. Representação gráfica dos parâmetros reológicos ... 37
2.8.1. Curva mestra ... 38 2.8.2. Plano Cole-Cole ... 38 2.8.3. Espaço de Black ... 39 3. MATERIAIS E MÉTODO ... 41 3.1 Considerações iniciais ... 41 3.2. Materiais ... 42
3.2.1. Asfalto convencional CAP 50/70 ... 42
3.2.2. Asfalto Borracha ... 43
3.2.3. Asfalto RET ... 44
3.2.4. Asfalto SBS ... 45
3.3. Método ... 45
3.3.1. Coleta de amostras ... 45
3.3.2. Reômetro de cisalhamento dinâmico ... 46
3.4. Parâmetros reológicos obtidos ... 48
3.5. Fadiga e deformação permanente ... 48
3.6. Representação gráfica ... 48
4. RESULTADOS ... 50
4.2. Representações gráficas ... 56
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS E RECOMENDAÇÕES ... 68
5.1. Conclusão ... 68
5.2. Recomendações para Trabalhos Futuros ... 69
1. INTRODUÇÃO
1.1. Considerações iniciais
O principal modo de transporte no Brasil é o rodoviário. Dessa forma esse é o sistema mais importante para o escoamento de mercadorias e transporte de pessoas pelo país. Portanto, para garantir o transporte de mercadorias e pessoas com qualidade, em termos de manutenção de veículos e de boa trafegabilidade e segurança, se faz necessário o emprego de pavimentos de qualidade. A grande maioria dos pavimentos rodoviários no país é do tipo flexível, ou seja, uma ou duas camadas asfálticas sobrepostas a camadas granulares e solo de fundação (subleito). Neste tipo de pavimento, a camada principal e que possui características diferenciadas é a asfáltica, sendo o ligante asfáltico que domina seu desempenho.
Assim, para promover e assegurar um desempenho adequado é necessário compreender as propriedades mecânicas e os fenômenos ocorrentes nas camadas de rolamento através de conhecimentos de análise mais apurados, tal como a reologia. A reologia é uma ciência que estuda o comportamento deformacional e do fluxo de matéria submetida a tensões em determinadas condições termodinâmicas ao longo do tempo.
Os fenômenos patológicos de maior ocorrência nos pavimentos das rodovias do país são a deformação permanente nas trilhas de roda e o trincamento por fadiga. A deformação permanente ocorre em condições de elevadas temperaturas e se caracteriza por afundamentos na camada de rolamento decorrentes da passagem dos rodados de veículos, gerando o afundamento plástico de trilha de roda. Este defeito é comumente designado como trilha de roda ou rodeira (CHOWDHURY et al., 2001).
Por outro lado, a fadiga é um defeito que ocorre em temperaturas intermediárias decorrente da passagem dos veículos pesados e se manifesta através de trincas que surgem na superfície do pavimento. As trincas têm origem na base (fibra inferior) da camada do revestimento asfáltico, inicialmente como microfissuras, devido à concentração de tensões de tração, as quais são advindas da flexão do pavimento causadas pelos carregamentos resultantes do tráfego atuante (BROWN et al., 2001).
A metodologia de dosagem das misturas asfálticas e os métodos de dimensionamento, atualmente utilizados no país têm base empírica e foram desenvolvidos na década de 1940. Neste sentido, devido às ações climáticas e condições de tráfego intenso e pesado verificados atualmente, os resultados de desempenho mecânico têm sido inferiores aos esperados, de modo que os pavimentos não têm atingido a vida de projeto requerida.
Ainda, é comum o uso de asfaltos convencionais na produção de misturas asfálticas, os quais não apresentam o desempenho esperado. Desta forma, o emprego de polímeros e modificadores dos asfaltos convencionais tem sido usado como uma alternativa viável, em termos de dosagem das misturas. Relativamente ao dimensionamento, o desenvolvimento de métodos empírico-mecanicistas tem mostrado a necessidade de estruturas mais robustas em relação àquelas adotadas em metodologias empíricas.
A utilização de polímeros modificadores do asfalto tende a melhorar o desempenho mecânico das misturas asfálticas e consequentemente proporciona, uma maior vida de serviço do pavimento. Uma das opções de modificador é a adição de borracha moída de pneus inservíveis. Quando incorporada ao asfalto, a borracha de pneu governa as suas propriedades mecânicas incrementando seu desempenho frente à deformação permanente e ao fenômeno da fadiga (CALTRANS, 2007). Outro fator relevante relacionado ao emprego de borracha de pneus é ser uma alternativa eficiente de reaproveitamento deste material antes descartado no meio ambiente. Desta forma, há mais um passo em direção para com a construção de rodovias “verdes”, do ponto de vista ecológico.
Para além do método de dosagem e de dimensionamento, ainda se tem um problema a ser solucionado no tocante à especificação e ensaios de qualidade dos ligantes asfálticos. Em geral, no Brasil, os ensaios comumente utilizados e prescritos em normas para caracterização dos asfaltos têm base empírica e não se relacionam com o desempenho das misturas asfálticas com eles produzidas. Desta forma, não há como realizar a predição de desempenho, a partir do ligante asfáltico, em relação à mistura asfáltica utilizada como revestimento e consequentemente, com o pavimento em serviço.
Assim, órgãos rodoviários norte americanos desenvolveram na década de 1990, no âmbito do Strategic Highway Research Program (SHRP) ou, Programa SHRP,
ensaios e metodologias para ligantes e misturas relacionados ao desempenho do pavimento em serviço, agrupados no que denominaram de Superior Performing Asphalt Pavements (SUPERPAVE®).
Os ensaios de caracterização reológica são preconizados pela metodologia norte-americana SUPERPAVE®. Tendo em vista o comportamento viscoelástico dos asfaltos, a abordagem reológica para a caracterização de suas propriedades e comportamento se demonstra promissora (LIMA et al., 2004; KRISHNAN & RAJAGOPAL, 2004).
A caracterização dos ligantes através da metodologia SUPERPAVE® envolve diversos equipamentos desenvolvidos no Programa SHRP. Um dos equipamentos introduzidos para predição de defeitos como fadiga e deformação permanente, a partir da caracterização do ligante, foi o Reômetro de Cisalhamento Dinâmico (DSR – Dynamic Shear Rheometer). Isto porque, os ligantes asfálticos apresentam um comportamento diferenciado, ou seja, são materiais viscoelásticos, cuja avaliação não é possível, senão através do estudo do seu comportamento reológico.
A reologia dos asfaltos é a ciência que estuda o comportamento viscoelástico dos ligantes. As análises são feitas por meio da determinação de parâmetros reológicos como o módulo complexo do ligante (representação da rigidez do material), e do ângulo de fase (indicador de potencial resiliente do material). A avaliação das propriedades do ligante é realizada no domínio de frequência, intensidade e tempo de carregamento e sua variação com a temperatura. Os asfaltos são extremamente sensíveis à variação da temperatura, comportamento conhecido como suscetibilidade térmica.
No Brasil, a metodologia convencional e os ligantes convencionais não contemplam com eficiência as reais solicitações e condições as quais um pavimento está exposto in situ. Os reais carregamentos dos veículos são cíclicos de caráter semi-senoidal, uma abordagem estática desse problema não é coerente para classificação e caracterização da mistura.
Assim, a ciência da reologia aplicada aos asfaltos se faz de grande importância para a caracterização das propriedades mecânicas e do desempenho de asfaltos e misturas asfálticas.
Este trabalho apresenta a caracterização reológica de ligantes asfálticos por meio de ensaios com o uso do reômetro de cisalhamento dinâmico no domínio frequencial. Para tanto, três tipos de asfaltos modificados serão comparados com um asfalto
convencional, de modo a elencar, por meio da reologia, a predição de desempenho para uso em misturas asfálticas de pavimentos flexíveis em campo.
1.2. Objetivos
São apresentados os objetivos deste trabalho, sendo o geral e os específicos. Objetivo geral
Predição do comportamento à fadiga e à deformação permanente de misturas asfálticas por meio de parâmetros reológicos dos ligantes asfálticos.
Objetivos específicos
Para atingir o objetivo geral, foram elencados os seguintes objetivos específicos:
• Avaliar, por meio da literatura, dos parâmetros reológicos de predição do comportamento mecânico de misturas asfálticas;
• Determinar os parâmetros reológicos dos ligantes asfálticos por meio do reômetro de cisalhamento dinâmico;
• Analisar os parâmetros, módulo complexo de cisalhamento (G*) e angulo de fase (δ);
• Comparar os ligantes estudados;
• Propor estudo da reologia com uma alternativa à caracterização dos ligantes.
1.3. Organização do trabalho
O trabalho está organizado e estruturado nos cinco capítulos seguintes.
O Capítulo 1, Introdução, faz referência à importância do tema com a apresentação dos objetivos do trabalho.
No Capítulo 2, Fundamentação Teórica, é apresentada a revisão de literatura que apoia a metodologia da pesquisa desenvolvida. Neste capítulo são mostradas referências acerca dos asfaltos, dos parâmetros reológicos e dos ensaios de laboratório.
No Capítulo 3, Materiais e Método, são apresentados os materiais utilizados, nomeadamente os ligantes e mostra a metodologia dos ensaios realizados no reômetro de cisalhamento dinâmico para identificação dos parâmetros reológicos.
No Capítulo 4, Resultados, são apresentados e discutidos os resultados obtidos e elencados os ligantes em relação à predição de comportamento quanto à fadiga e deformação permanente, para confecção de misturas asfálticas a serem utilizadas em camadas de pavimentos flexíveis.
No Capítulo 5, Considerações Finais, é feito um resumo dos principais resultados obtidos e ainda são propostas recomendações para trabalhos futuros que poderão dar continuidade a esta pesquisa.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo são apresentados os conceitos fundamentais relativos à pavimentação e reologia dos asfaltos.
2.1. Pavimento
Os pavimentos flexíveis representam a maioria dos pavimentos empregados no sistema rodoviário brasileiro. A estrutura de um pavimento flexível é constituída de uma ou mais camadas de revestimento asfáltico, apoiadas sobre sucessivas camadas estruturais sobrepostas umas as outras. Estas camadas que estão assentes ao solo de fundação, são, em geral, de base, sub-base e, às vezes, um reforço do subleito, compostas de material granular, solo e misturas de solos (CALTRANS, 2008). A Figura 1 ilustra uma estrutura típica de um pavimento flexível, que é composta por camadas de revestimento em mistura asfáltica, base em material granular, sub-base em material granular, podendo ou não dispor de uma camada de reforço do solo de fundação, e de subleito.
Figura 1. Estrutura de um pavimento flexível.
Fonte: Thives (2016).
O comportamento estrutural de um pavimento às tensões solicitantes é determinado pela rigidez da camada de rolamento e das camadas subjacentes, bem como pela capacidade de suporte do solo de fundação. Portanto, o comportamento
estrutural de um pavimento é dependente da relação entre as suas sucessivas camadas. Desta forma, os pavimentos são classificados em estruturas rígidas, semirrígidas e flexíveis, de acordo com a rigidez da sua estrutura, conferida pelo tipo de material constituinte de cada camada (BERNUCCI et al., 2006).
Tendo em vista que esta pesquisa é acerca da previsão de desempenho de misturas asfálticas por meio da caracterização reológica dos ligantes asfálticos, o presente projeto se apoia na concepção de pavimentos flexíveis. Portanto, a seguir são apresentadas algumas definições e formulações para melhor elucidar o propósito desta pesquisa.
2.2. Asfaltos
O asfalto é um tipo de ligante proveniente da destilação do petróleo e é um dos componentes da mistura asfáltica que, em pavimentos flexíveis é a camada de revestimento. No Brasil o asfalto convencional é denominado Cimento Asfáltico do Petróleo (CAP) e tem como principal componente o betume. O betume é uma mistura complexa de hidrocarbonetos advindos do petróleo de modo natural ou por processo de destilação, e por outros materiais. Os asfaltos brasileiros são classificados por penetração pela normativa DNIT 095/2006 – EM (BRASIL, 2006), conforme apresentado na Figura 2.
Figura 2. Especificação do CAP no Brasil.
Fonte: BRASIL, 2006.
O asfalto é empregado nas misturas asfálticas (revestimento de pavimentos flexíveis), principalmente devido sua grande versatilidade e adesividade com o agregado decorrente de suas propriedades aglutinantes. Ainda, apresenta flexibilidade controlável; grande durabilidade; atua como impermeabilizante; e é caracterizado por ser pouco reativo (BERNUCCI et al., 2006).
A característica mais importante dos asfaltos é sua dependência da temperatura, denominada de suscetibilidade térmica. As propriedades mecânicas alternam entre estado semissólido, a temperaturas baixas, estado líquido, a temperaturas altas. Contudo, em temperaturas intermediárias, o asfalto, comporta-se, simultaneamente, com características de um material semissólido e líquido, conhecido por comportamento viscoelastoplástico (BERNUCCI et al., 2006; FONTES, 2009).
Os asfaltos convencionais atendem adequadamente a moderados volumes de tráfego. No entanto, quando se trata de um tráfego pesado de grande volume crescente, esses ligantes não mais resistem de modo eficiente em termos de custo-benefício e resistência mecânica. Como consequência, se faz necessário o emprego de polímeros modificadores que incrementam as propriedades mecânicas do ligante.
Os ligantes modificados têm por finalidade a redução do aparecimento de degradações prematuras nos revestimentos, como exemplo, asfalto-borracha, asfalto nanomodificado, asfalto morno ou asfalto com polímeros diversos (RET - Reactive Elastomeric Terpolymer; EVA – Etileno-Acetato de Vinila; SBS – Estireno-Butadieno-Estireno; SBR – Borracha de Butadieno Estireno).
Os ensaios atualmente utilizados pela norma brasileira não são capazes de prever o comportamento das misturas asfálticas de forma adequada. Neste contexto, a reologia é importante para caracterizar o comportamento viscoelástico dos asfaltos, sejam convencionais ou modificados.
Outro aspecto relevante consiste no fato de como considerar as propriedades reológicas dos ligantes que influenciam significativamente o desempenho das misturas asfálticas durante o processo de usinagem, compactação e vida em serviço. Para tanto, o ensaio de reologia deveria ser incluído nas especificações vigentes no Brasil, visto que a avaliação reológica dos ligantes são exigências das novas Normas Europeias e das pesquisas Norte-Americanas do Programa Strategic Highway Research Program (SHRP), agrupados e patenteados sob a denominação Superpave (Superior Performing Asphalt Pavements).
2.3. Reologia dos ligantes asfálticos
Reologia é a parte da física que investiga as propriedades e o comportamento mecânico de corpos que sofrem uma deformação (sólidos elásticos) ou um escoamento (fluido-líquido ou gás) devido à ação de uma tensão de cisalhamento (MACHADO, 2002). Muitos sistemas, principalmente os de natureza coloidal, apresentam um comportamento intermediário entre esses dois extremos, apresentando tanto características viscosas como elásticas. Esses materiais são chamados de viscoelásticos, como por exemplo, os ligantes asfálticos.
A principal característica de um ligante asfáltico é a sua susceptibilidade térmica, ou seja, suas propriedades são dependentes da temperatura. O ligante asfáltico é denominado de viscoelástico porque apresenta ao mesmo tempo características viscosas e elásticas (SHRP, 1994).
Em altas temperaturas, o ligante se comporta como um fluido viscoso e a baixas temperaturas como um sólido quase elástico. No entanto, em temperaturas intermediárias, as quais o ligante está submetido no campo, o seu comportamento é viscoelástico (PADMAREKHA e KRISHNAN, 2013).
Existem dois comportamentos clássicos dos materiais: o sólido elástico ideal e o fluido viscoso ideal. O sólido elástico obedece à lei de Hooke com deformação diretamente proporcional a tensão aplicada e uma recuperação completa da deformação depois de cessada a aplicação da tensão. O fluido viscoso obedece às Leis de Fluidos Newtonianos, onde a taxa de deformação é diretamente proporcional à tensão aplicada. A deformação em fluidos ocorre indefinidamente até a força ser removida, pois os fluidos não têm resistência à deformação (COUTINHO et al., 2004).
Além destes, também se observa a existência de materiais com comportamento viscoelástico, ou seja, materiais com características intermediárias entre os estados extremos sólido (elasticidade) e líquido (viscosidade). Desta maneira, o asfalto pode ser classificado como um material de comportamento viscoelástico, pois devido a sua suscetibilidade térmica se comporta ora como um fluido viscoso, a altas temperaturas, ora como um sólido elástico a baixas temperaturas (FONTES, 2009; WANG et al., 2012).
Considerando a atuação insatisfatória dos ligantes convencionais em termos de desempenho em campo, a escolha por ligantes modificados tem sido intensificada, objetivando melhorar as suas propriedades e o desempenho das misturas em campo.
O equipamento capaz de caracterizar reologicamente os materiais ditos viscoelásticos, plásticos, pseudoplásticos ou elásticos é denominado reômetro. Nos ensaios podem ser variados diversos parâmetros, para obter resultados que simulam situações diferentes. Os parâmetros variados podem ser temperatura, frequência, deformação, tensão, distância entre os pratos (gap), tempo, entre outros.
A caracterização das propriedades viscoelásticas de materiais como os ligantes asfálticos tem sido feita por intermédio de ensaios de reometria, conduzidos em reômetros de pratos paralelos, reômetros
rotacionais ou reômetros de torque. Por meio da reometria é possível medir o módulo complexo (G*) e o ângulo de fase (δ), submetendo-se uma pequena amostra a tensões de cisalhamento (KIM, 2009).
Durante o ensaio de reometria, são medidos G* e δ por meio da resposta, a deformação cisalhante, a um torque constante em uma amostra. No entanto, a resposta (deformação) está defasada em relação à tensão aplicada por certo intervalo de tempo (Δt), como apresenta a Figura 3.
Figura 3. Tensão de cisalhamento aplicada e deformação resultante.
Fonte: Fontes (2009)
Na Figura 3, o intervalo de tempo (Δt) representa o atraso na deformação obtida em relação à tensão aplicada, sendo representada pelo ângulo de fase (δ). O ângulo de fase é um indicador da quantidade relativa de deformação recuperável e não recuperável e das propriedades elásticas e viscosas do material. Para materiais completamente elásticos não existe atraso entre a tensão de cisalhamento aplicada e a deformação obtida (δ é igual a 0º). Analogamente, para materiais totalmente viscosos, a deformação obtida está completamente defasada, assim, δ é igual a 90º (FONTES, 2009).
O módulo complexo G* é a medida da resistência total do material à deformação quando exposta a pulsos repetidos de tensões de cisalhamento e consiste de uma componente elástica (recuperável) e outra componente viscosa (não recuperável).
Em elevadas temperaturas, nas quais o ligante se comporta como um fluido viscoso, δ tende a 90º. Em baixas temperaturas, o material se comporta como um material elástico e δ tende a 0º. O controle da rigidez a elevadas temperaturas pode assegurar que o ligante forneça a resistência ao cisalhamento global da mistura asfáltica,
em termos de elasticidade a altas temperaturas, e o controle da rigidez a temperaturas intermediárias deve garantir que o ligante não contribua para o trincamento por fadiga (SHRP, 1994; KIM, 2009).
O reômetro de cisalhamento dinâmico (Dynamic Shear Rheometer – DSR) é utilizado para caracterizar as propriedades viscoelásticas tanto dos ligantes virgens ou com aditivos quanto dos envelhecidos. O equipamento é composto de duas placas paralelas, sendo uma fixa e outra oscilante. A amostra de ligante é colocada entre as placas (Figura 4) e submetida a esforços de cisalhamento com frequência estabelecida para o ensaio, usualmente de 1,59 Hz. A caracterização do comportamento viscoso e elástico é realizada por meio da medida do módulo complexo (G*) e do ângulo de fase (δ) em diversas temperaturas de serviço. Outros parâmetros reológicos são igualmente medidos.
As propriedades dos sistemas ligante/agente modificador podem apresentar-se compatíveis ou incompatíveis. A compatibilidade depende do tipo de modificador (borracha, polímeros) e do tipo de ligante e está diretamente relacionada com o desempenho que as misturas asfálticas apresentarão em serviço (ABDELRAHMAN, CARPENTER, 1999).
A compatibilidade dos sistemas pode ser avaliada por meio de microscopia por varredura, como mostra o exemplo da Figura 5 de uma amostra de asfalto-borracha. Na Figura 5 observa-se que na Figura 5 (a), ainda existem grãos de borracha que não estão totalmente incorporados ao asfalto, diferentemente que o mostrado na Figura 5 (b), sendo que o sistema na Figura 5 (b) apresentou-se mais compatível que o sistema na Figura 5 (a). Os ensaios de reologia e de microscopia por varredura não são prescritos atualmente nas normas brasileiras, entretanto são imprescindíveis para que se compreenda o comportamento dos ligantes e que se possa prever o seu desempenho em campo.
Figura 4. Amostra de ligante ensaiada no reômetro.
Fonte: Autor, 2019.
Figura 5. Microscopia por varredura em asfalto borracha.
(a) Sistema incompatível (b) Sistema compatível
Com o equipamento reômetro de cisalhamento dinâmico são obtidos parâmetros reológicos dos ligantes asfálticos tais como: módulo complexo (G*), ângulo de fase (δ), viscosidade (ν), módulo elástico recuperável (G’) e o módulo viscoso não recuperável (G”) definidos entre uma região de viscoelasticidade linear.
A representação do comportamento reológico é feita através de diferentes variações dos componentes (DI BENEDETTO & DE LA ROCHE, 1998), ou seja, em função da variação da temperatura e da frequência; da relação entre as partes real (módulo de armazenamento) e imaginária (módulo de perda); do módulo complexo e ângulo de fase.
De acordo com Partl & Francken (1998), os gráficos representados são os seguintes: (i) curvas isotérmicas; (ii) espaço ou diagrama de Black; (iii) curvas isócronas; (iv) representação complexa no Plano Cole Cole; (v) curva equivalência frequência temperatura ou master curve.
O sistema de especificação do ligante pelo Programa SHRP (Strategic Highway Research Program), agrupado como SUPERPAVE® (Superior Performing Asphalt Pavements), se baseia em ensaios reológicos quanto aos requisitos relacionados ao desempenho em serviço. Isto significa que foram desenvolvidos parâmetros, a partir do módulo complexo e do ângulo de fase do ligante, para predizer o comportamento à fadiga e deformação permanente das misturas. Neste sentido, o programa SHRP introduziu novos métodos e parâmetros para medir propriedades fundamentais, relacionadas com o desempenho dos pavimentos em serviço. Os parâmetros reológicos exigidos da especificaçãoSUPERPAVE®, com base na dissipação de energia são:
• G*/senδ – para previsão quanto à deformação permanente; • G*senδ – para previsão quanto à fadiga.
Estudos posteriores à especificação SUPERPAVE® (Bahia et al., 2001) mostraram que a correlação entre a predição do ligante e o comportamento mecânico das misturas mostrou-se fraca. Neste caso, especialmente para os ligantes modificados, o parâmetro G*/senδ apresentou limitações (Figura 6) e o parâmetro G*.senδ não era efetivo na predição da contribuição do ligante na resistência à fadiga (Figura 7). Nas Figuras 6 e 7, observa-se que a predição de comportamento do ligante a partir dos parâmetros e os ensaios de resistência (fadiga e deformação permanente) apresentaram fraca correlação.
Figura 6. Correlação entre o parâmetro G*/senδ do ligante asfáltico e a taxa média de acumulação da deformação (S) da mistura asfáltica (ensaio de deformação permanente).
Fonte: Adaptado de Bahia, Anderson (2001).
Figura 7. Correlação entre o parâmetro G*.senδ do ligante asfáltico e a resistência à fadiga da mistura asfáltica.
Fonte: Adaptado de Bahia, Anderson (2001).
Após estes estudos, foram desenvolvidos os seguintes novos ensaios (realizados no DSR) para previsão do desempenho das misturas asfálticas a partir do comportamento reológico dos ligantes:
• Para a fadiga: Linear Amplitude Sweep (LAS) ou Ensaio de Varredura de Amplitude Linear;
• Para a deformação permanente: Multiple Stress Creep and Recovery Test (MSCR).
Os ensaios LAS e MSCR são realizados em amostras envelhecida em curto prazo no equipamento Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT). Os ensaios são prescritos em normas Norte Americanas, porém o LAS ainda não estão inseridos no SUPERPAVE®.
2.4. Degradação do pavimento
As tensões geradas a cada passagem do rodado de veículos degradam, em um processo acumulativo, a estrutura do pavimento. Posto isso, se dimensiona a estrutura de um pavimento para determinada vida útil, dentro do qual a mesma atende satisfatoriamente aos quesitos estruturais e funcionais (BERNUCCI et al., 2008).
De acordo com Fontes (2009), os principais fatores que determinam o nível de degradação de um pavimento são: rigidez do revestimento; capacidade de suporte do pavimento e solo de fundação; condições ambientais; volume de tráfego e carga por eixo do rodado; emprego de materiais apropriados e qualidade do processo construtivo.
Na análise das condições de operação de um pavimento se realizam avalições do ponto de vista funcional e estrutural. A avaliação funcional trata-se da análise das características geométricas e físicas da superfície da camada de rolamento, como por exemplo, a rugosidade. A avalição estrutural analisa as deformações elásticas da estrutura do pavimento. Estas deflexões, compreendidas como sendo a resposta das camadas do pavimento e do subleito aos carregamentos do rodado, indicam o estado estrutural das camadas do conjunto. Deste modo, quanto maior a deformação resiliente maiores serão os danos causados à estrutura (BERNUCCI et al., 2008). A repetição destas deflexões, oriundas dos carregamentos do tráfego, desencadeia o fenômeno de fadiga na camada de revestimento.
2.4.1. Fadiga
Fadiga é um fenômeno procedente da ação de cargas cíclicas provenientes do tráfego de veículos atuante sobre o pavimento. Este carregamento cíclico pode ser
descrito como do tipo senoidal (pulso de carga), produzindo danos (trincas) intermitentes no revestimento. Portanto, a fadiga é um processo de mudança estrutural, no qual devido a tensões de tração, oriundas da flexão do pavimento, se inicia a formação de microfissuras localizadas na parte inferior da camada de revestimento, acompanhada da propagação das mesmas e sua evolução para forma de trincas (GOSSAIN et al., 2005; PELLINEN et al., 2004).
A mensuração da degradação admissível do revestimento decorrente da fadiga é exprimida pela vida de fadiga, a qual é o numero de ciclos de carregamentos (N) necessários para levar o revestimento à ruína por fadiga. A capacidade do revestimento de resistir aos carregamentos repetidos sem dano algum por fadiga é denominada de resistência à fadiga (BODIN et al., 2002).
A Figura 8 ilustra o revestimento de uma rodovia brasileira com trincamento por fadiga (CNT, 2018).
Figura 8. Revestimento trincado por fadiga.
Fonte: CNT, 2018. 2.4.2. Deformação permanente
A deformação permanente é caracterizada pelo afundamento gradual da superfície do revestimento asfáltico devido ao aumento dos ciclos de carregamento oriundos do tráfego, originando trilhas de roda ao longo do eixo longitudinal da estrada (SOUSA, 1991).
O Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT), conforme a norma DNIT 005/2003 - TER (BRASIL, 2003) categoriza o afundamento, depressão da superfície, em afundamento de consolidação e plástico, sendo o último acompanhado de solevamento.
Na abertura ao tráfego, devido às subcamadas e camada final de terraplenagem não estarem completamente compactadas, observa-se uma deformação dessas camadas e da camada de revestimento, associado à sua rigidez, que somadas culminam afundamentos de trilha de roda. Após esta fase de assentamento das camadas, os afundamentos ocorrem com constância de volume da mistura com solevamento, sendo este fenômeno associado estritamente à rigidez da mistura asfáltica (FONTES, 2009).
Na Figura 9 são esquematizadas as duas formas típicas de ocorrência de trilha de roda (deformação permanente). A Figura 10 ilustra a deformação permanente em uma rodovia brasileira, cuja causa á devida à mistura asfáltica (com solevamento).
Figura 9. Esquematização dos casos típicos de deformação permanente.
(a) afundamento de trilho de roda sem solevamento (falha das camadas inferiores).
(b) afundamento de trilho de roda com solevamento (falha da camada de rolamento).
Fonte: NHI (2000).
Fonte: CNT, 2018.
2.5. Superior Performing Asphalt Pavements (SUPERPAVE®)
No âmbito da metodologia SUPERPAVE® desenvolvida pelo Programa SHRP (Strategic Highway Research Program), os métodos de análise de ligantes e de misturas asfálticas são fundamentados nas propriedades de fadiga, deformação permanente e rigidez (módulo) do material. A pesquisa do programa SHRP foi baseada em modelos de desempenho empírico-mecanicistas (NHI, 2000).
A metodologia SUPERPAVE® categoriza os ligantes, no estado virgem, conforme suas propriedades e desempenho nos ensaios de caracterização. Esta classificação dos ligantes, denominada pela sigla PG (Performance Grade), é composta de dois valores numéricos, dos quais o primeiro indica o desempenho do ligante a altas temperaturas (temperatura máxima observada). O segundo valor indica o desempenho do ligante a baixas temperaturas (temperatura mínima observada), (ZANIEWSKI & PUMPHREY, 2004). Ainda, na metodologia, é avaliado o comportamento do ligante durante o transporte, armazenagem e manuseio, simulando o seu envelhecimento através dos seguintes ensaios:
• RTFOT (Rolling Thin-Film Oven Test) para simular o envelhecimento na fase de produção, transporte e aplicação na estrada;
• PAV (Pressure Aging Vessel) para reproduzir o envelhecimento do ligante durante a sua vida útil, considerando o envelhecimento inicial empregando a amostra já envelhecida no RTFOT.
Além das novas especificações e ensaios, a metodologia SUPERPAVE® também incorporou o uso de novos equipamentos. Deste modo, os ensaios de caracterização e desempenho dos ligantes são realizados nos seguintes equipamentos (NHI, 2000):
• Reômetro de Cisalhamento Dinâmico – DSR (Dynamic Shear Rheometer); • Reômetro de Viga à Flexão – BBR (Bending Beam Rheometer);
• Viscosímetro Rotacional (Rotational Viscometer); • Prensa de Tração Direta – DTT (Direct Tension Test).
As Figuras 11 e 12 ilustram equipamentos para simulação do envelhecimento de ligantes asfálticos em laboratório, sendo o RTFOT e o PAV, respectivamente.
Figura 11. Equipamento RTFOT.
Fonte: Superpave (2001)
Fonte: SUPERPAVE®, 2001.
2.6. Parâmetros reológicos
O ligante asfáltico é classificado como um material viscoelástico devido sua suscetibilidade térmica e por apresentar comportamentos distintos em função da temperatura e aplicação de carga. Desta maneira, seu comportamento mecânico depende da temperatura e da frequência de carregamento em que está submetido. Esse material se comporta ora como um sólido elástico, ora como um fluido viscoso, para temperaturas baixas e altas, respectivamente. Ainda, o comportamento mecânico do asfalto varia também em função da frequência de aplicação de carregamento (BERNUCCI et al., 2008; ZANIEWSKI & PUMPHREY, 2004).
No que diz respeito à deformação permanente e à fadiga, é desejável que o asfalto comporte-se como um sólido rígido e ao mesmo tempo, elástico, simultaneamente, para resistir à deformação permanente, e como um material flexível e elástico para resistir à fadiga (NHI, 2000). No entanto, os asfaltos convencionais não são suficientemente rígidos e elásticos em função da variação da temperatura e apresentam um desempenho inferior, especialmente a elevadas temperaturas e baixas frequências de carregamento. Neste sentido, têm-se recorrido ao uso de modificadores, de modo a melhorar as propriedades elásticas e rígidas.
Os ensaios convencionais de caracterização dos ligantes não apresentam relação com as propriedades mecânicas das misturas asfálticas. Para avaliar o comportamento
mecânico do asfalto frente à variação da temperatura e frequência de aplicação de carregamento, têm-se utilizados ensaios reológicos. Nestes ensaios, são determinados dois principais parâmetros, denominados de parâmetros reológicos, que são o módulo complexo de cisalhamento (G*) e o ângulo de fase (δ). G* representa a rigidez do material frente às tensões aplicadas e respectivas deformações, enquanto que δ é um indicador das parcelas de deformação recuperável e não recuperável, representa as parcelas viscoelásticas (viscosas e elásticas). Os ensaios para determinação dos parâmetros reológicos são realizados no DSR.
A associação do módulo complexo (G*) e o ângulo de fase (δ) representam as parcelas viscoelásticas de rigidez, representadas pelo módulo de armazenamento ou elástico (G’) e pelo módulo de perda ou viscoso (G’’). A relação entre as variáveis pode ser demonstrada na forma das Equações 1, 2 e 3 (VENUDHARAN et al., 2016). As Equações 1, 2 e 3 derivam da representação de G* e δ em um eixo cartesiano, como ilustrado na Figura 13.
G* = G' + iG'' (1) G'= G* sen δ (2) G'= G* cos δ (3)
Em que: G* é o módulo complexo de cisalhamento (MPa); δ é o ângulo de fase (º); G’ é o módulo de armazenamento (MPa) e G’’ é o módulo de perda (MPa).
Figura 13. Representação de G*, δ, G' e G'' em um eixo cartesiano.
2.7. Asfaltos modificados
2.7.1. Asfaltos Borracha
A incorporação de borracha de pneus usados no betume para produção de misturas asfálticas, além de melhorar o seu desempenho, contribui também para o destino final adequado de um resíduo sólido, o pneu. De acordo com Amirkhanian (2001), cada tonelada de mistura asfáltica com asfalto borracha permite a incorporação de 2 a 6 pneus usados.
Segundo Fontes (2009), os benefícios da utilização de misturas betuminosas com betume modificado com borracha no processo húmido são evidenciados por diversos autores (ROBERTS et al., 1989; HICKS, 2002; CALTRANS, 2003; BAKER et al., 2003).
A adição de borracha de pneu em ligantes asfálticos gera diversos benefícios como melhor resistência ao trincamento, ao envelhecimento, à oxidação, à fadiga, devido ao elevado teor de asfalto, maior resistência à deformação permanente, devido a um aumento da viscosidade e do ponto de amolecimento, melhor visibilidade noturna, redução do ruído, menores espessuras nas camadas e maior vida útil. (FONTES, 2009).
O Brasil conta, desde 2009 com uma normativa específica para asfalto borracha. A norma é preconizada pelo Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT), sendo denominada Pavimentação flexível - Cimento asfáltico modificado por borracha de pneus inservíveis pelo processo via úmida, do tipo Terminal Blending - Especificação de Material, DNIT 111/2009 – EM (BRASIL, 2009). A Figura 14 apresenta a especificação do asfalto borracha.
Fonte: BRASIL, 2009.
No Brasil, o asfalto borracha é produzido com borracha proveniente do sistema ambiente, ou seja, é triturada em temperatura ambiente. O processo de produção é do tipo terminal blend ou terminal blending que significa que a borracha é adicionada a um asfalto base convencional, em geral o CAP 50/70, em elevadas temperaturas com alto cisalhamento. Neste caso, o asfalto borracha é produzido em refinarias ou distribuidoras e é estocável. Em outros países, a mistura do asfalto e da borracha é feita na própria usina de asfalto, denominado de continuous blend, em tanques adaptados, mas não é estocável e deve ser utilizado em no máximo quatro horas (FONTES, 2009).
2.7.2. Asfaltos com polímero RET
O polímero RET (Reactive Elastomeric Terpolymer ou Terpolímero Elastomérico Reativo), é produzido especificamente para uso em asfaltos e atua como um
modificador. O desenvolvimento do polímero teve origem em 1988 quando se buscou um modificador para o ligante asfáltico de fácil incorporação e cujas propriedades viscoelásticas fossem similares a de asfaltos modificados, a exemplo dos Copolímeros de Estireno Butadieno (NEGRÃO, 2006).
Como exemplo de fornecedor, a empresa DuPont vende o polímero RET com o nome comercial de “Elvaloy RET”. A Figura 15 ilustra a estrutura química do polímero RET.
Figura 15. Estrutura química do polímero RET.
Fonte: Geckil, 2018.
O uso do polímero RET em uma mistura asfáltica em comparação com uma mistura produzida com asfalto convencional pode apresentar vários benefícios como, diminuição da suscetibilidade térmica, aumento da resistência à fadiga e melhoria das propriedades elásticas. Neste caso, esse ligante é adequado para regiões de clima quente, mas pode ser usado em outros climas. O uso do polímero RET pode prolongar a vida da mistura asfáltica (revestimento) e reduzir a necessidade de reparos e intervenções (GECKIL, 2018).
2.7.3. Asfaltos com polímero SBS
O estireno-butadieno-estireno ou SBS é um copolímero que pode ser obtido de diferentes formas estruturais, dependendo dos monômeros e do tipo de associação entre eles, tais como lineares e radiais (RAMOS, 1995). A Figura 16 ilustra a estrutura química do polímero SBS.
Fonte: BRASIL, 1998.
De acordo com a Figura 16, os copolímeros SBS correspondem a blocos de estireno e butadieno, que apresentam características elastoméricas e termoplásticas, escoando quando aquecidos, apresentam boa resistência mecânica e resiliência à temperatura ambiente. A viscosidade do SBS a altas temperaturas é um aspecto favorável no momento da mistura com o ligante asfáltico, por não promover um aumento significativo da viscosidade depois de incorporada ao ligante. O ligante modificado com SBS apresenta propriedades reológicas superiores em relação ao ligante convencional (LEITE, 1999).
No caso do polímero SBS, a qualidade da dispersão é determinada principalmente por três fatores: a constituição do ligante asfáltico, o tipo e concentração de polímero e a taxa de cisalhamento aplicada pelo misturador (READ & WHITEOAK, 2003).
Segundo Leite (1999), a granulometria do polímero também é um fator importante no processo da dispersão do polímero no ligante. Visto que o tempo de preparo do ligante pode ser reduzido utilizando um agente modificador de granulometria fina.
Marcon (2016) complementa que o ligante modificado com SBS apresenta maior ponto de amolecimento o que indica uma maior resistência às tensões cisalhantes provenientes do tráfego, minimizando a ocorrência de afundamento de trilha de roda. Também apresenta resultado satisfatório na recuperação elástica, por conta disso tende a apresentar melhor desempenho frente ao dano por fadiga e deformação permanente.
2.8. Representação gráfica dos parâmetros reológicos
O comportamento reológico dos asfaltos e de misturas asfálticas pode ser ilustrado através de diferentes representações gráficas, sendo a curva mestra, Plano Cole-Cole, Espaço ou Diagrama de Black, curvas isotérmicas e curvas isócronas.
2.8.1. Curva mestra
A curva-mestra ou curva equivalência frequência-temperatura representa o comportamento reológico do material em função de sua suscetibilidade térmica (temperatura) e do tempo de carregamento (frequência).
Essa curva é construída pela translação de curvas isotérmicas (curvas módulo-frequência) de diversas temperaturas, para uma única curva e para uma temperatura de referência, geralmente de 20ºC. Esta temperatura é a escolhida porque em geral, é a usada como parâmetro de rigidez (módulo) das misturas asfálticas nos dimensionamentos de pavimentos. O deslocamento de curvas isotérmicas é realizado através da aplicação de um fator de escala. A construção da curva é possível devido ao princípio de superposição tempo-temperatura, ou seja, que a temperatura e frequência têm o mesmo efeito sobre as propriedades reológicas do material, e considerando o domínio da viscoelasticidade linear (BECHARA, 2008).
A curva mestra é apresentada com a norma do módulo complexo de cisalhamento (IG*I) em suas ordenadas, em função da frequência, no eixo das abcissas, em escala logarítmica. Esta curva permite a obtenção do módulo de rigidez para qualquer combinação de temperatura e frequência requeridas dentro do espectro das medidas no ensaio de reometria (BECHARA, 2008).
De modo geral, esta curva indica a viscoelasticidade do material, sendo que quanto mais próxima da direção horizontal indica um asfalto com maior comportamento elástico, enquanto que quanto mais próxima da direção vertical, a curva indica um material com maior suscetibilidade às variações térmicas e variações de frequência. Portanto, a praticidade desta curva é a agilidade com que se pode analisar a dependência da temperatura e frequência de carregamento de um asfalto, conforme a declividade da curva (FONTES, 2009).
2.8.2. Plano Cole-Cole
A representação do Plano Cole-Cole se trata de uma curva que se assemelha a um arco de círculo que apresenta no seu eixo das ordenadas a componente imaginária (comportamento viscoso) do módulo complexo (G”) e no eixo das abcissas a parte real (comportamento elástico) do módulo complexo (G’), em coordenadas aritméticas (Figura 17). A curva é independente da frequência e da temperatura, sendo que por meio de uma reta que inicia na origem da curva e finda em valor máximo de G”, pelo que se pode observar se o ligante a um bom ou fraco comportamento a fadiga em determinada
temperatura. Assim, uma reta com maior inclinação indica um maior valor do módulo imaginário (G”) e, consequentemente, implica um comportamento menos elástico e mais favorável ao aparecimento precoce do trincamento por fadiga (FONTES, 2009).
Figura 17. Representação no Plano Cole-Cole.
Fonte: Momm, (1998). 2.8.3. Espaço de Black
O Espaço ou Diagrama de Black apresenta a relação entre o ângulo de fase (eixo das abcissas) e o logaritmo do módulo complexo de cisalhamento (eixo das ordenadas) para um vasto espectro de temperaturas e frequências medidas.
Através do Diagrama de Black, pode-se observar que para baixas temperaturas e elevadas frequências, o módulo complexo tende a um valor limite e o ângulo de fase diminui. Entretanto, para elevadas temperaturas e baixas frequências, o módulo diminui e o ângulo de fase caracteriza-se por tender a um valor máximo. Através do Espaço de Black (Figura 18) é possível avaliar o módulo e o ângulo de fase para várias temperaturas a partir de uma temperatura de referência. Deste modo, quando a sobreposição frequência-temperatura for ideal, a curva obtida é suave e para cada valor de módulo há somente um valor de ângulo de fase. Isto considerando que a temperatura e frequência têm o mesmo efeito sobre as propriedades reológicas do material (FONTES, 2009).
Figura 18. Representação do Espaço de Black.
3. MATERIAIS E MÉTODO
3.1 Considerações iniciais
A Metodologia deste trabalho consistiu na avaliação laboratorial de ligantes asfálticos por meio do ensaio no reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) para obtenção dos parâmetros G* (módulo complexo de cisalhamento) e δ (ângulo de fase). Para tanto foram ensaiados os seguintes ligantes:
• CAP 50/70; • Asfalto Borracha;
• Asfalto com polímero RET; • Asfalto com polímero SBS.
Posteriormente, os resultados foram utilizados para realizar a predição de comportamento quanto à fadiga e à deformação permanente através da especificação SUPERPAVE® e parâmetros G*.senδ (módulo de armazenamento) e G*/senδ (módulo de perda). A Figura 19 apresenta as etapas da metodologia.
Figura 19. Etapas da metodologia adotada.
Fonte: Autor, 2019. LIGANTES ASFÁLTICOS
CAP 50/70 SBS RET BORRACHA
Ensaios de caracterização Ensaios reológicos Grau PG G* δ Convencional Modificados ENSAIOS G*.senδ G*/senδ Representação gráfica RESULTADOS
3.2. Materiais
As amostras de asfalto analisadas foram fornecidas pela empresa distribuidora CBB Asfaltos localizada em Curitiba, Paraná. Foi realizada uma visita à empresa para compreensão dos processos de industrialização e de produção dos asfaltos. Durante a visita, foram selecionados quatro tipos de ligantes asfálticos para a realização da pesquisa (asfalto borracha, asfalto RET, asfalto SBS e o convencional CAP 50/70). 3.2.1. Asfalto convencional CAP 50/70
O asfalto convencional CAP 50/70 é especificado de acordo com a norma DNIT 095/2006 como apresentado na Figura 2. Considerando a reforma do Laboratório de Pavimentação da Universidade Federal de Santa Catarina, não foi possível realizar os ensaios de caracterização do ligante. Neste sentido, a caracterização foi realizada pela empresa fornecedora, cujo lote corresponde ao número 0482-2019. A Tabela 1 apresenta os resultados dos ensaios de caracterização do asfalto CAP 50/70.
Tabela 1. Resultados dos ensaios de caracterização do CAP 50/70.
Ensaio
Método de ensaio
Especificação Resultados Unidade
Penetração D 5 50 a 70 56 0,1mm
Ponto de amolecimento D 36 46 min 47,9 ℃
Viscosidade Saybolt Furol a 135℃ E 102 141 min 148 s Viscosidade Brookfield 135℃-SP21 20rpm D 4402 274min 286 cp Viscosidade Saybolt Furol a 150℃ E 102 50 min 78,6 s Viscosidade Brookfield 150℃-SP21 20rpm D 4402 112 min 148 cp Viscosidade Saybolt Furol a 177℃ E 102 30 a 150 31,4 s Viscosidade Brookfield 177℃-SP21 20rpm D 4402 57 a 285 57 cp
RTFOT – Penetração retida D 5 55 min 66 %
RTFOT- Aumento do ponto de
amolecimento D 36 8 max 3,3 ℃
RTFOT – Ductilidade a 25 ℃ D 113 20 min >100 cm RTFOT – Variação em % massa D 2872 -0,5 a 0,5 -0,192 %
Ductilidade a 25℃ D 113 60 min >100 cm
Solubilidade no Tricloroetileno D 2042 99,5 min 99,9 %massa
Ponto de Fulgor D 92 235 min 288 ℃
Índice de Suscetibilidade térmica X 18 -1,5 a 0,7 -1,5 Densidade relativa a 20/4 ℃ D 70 Anotar (1) 1,006
Aquecimento a 177℃ X 215 NESP (2) NESP
Os resultados dos ensaios de caracterização (Tabela 1) mostraram que o CAP 50/70 está enquadrado nas especificações brasileiras (Figura 1) e pode ser usado na produção de misturas asfálticas.
3.2.2. Asfalto Borracha
O asfalto borracha, ligante asfáltico modificado com borracha de pneus inservíveis foi produzido com asfalto base CAP 50/70 com 21% de borracha, do tipo ambiente, incorporada pelo processo terminal blend. A caracterização do ligante foi realizada pela empresa fornecedora e está apresentada na Tabela 2.
Tabela 2. Resultados dos ensaios de caracterização do asfalto borracha.
Ensaio Unidade Método de
Ensaio Resultados Limites Mínimo Máximo Ponto de amolecimento ℃ NBR 6560 56 55 - Penetração; 100g; 5s; 25℃; 0,1mm 0,1 mm NBR6576 45 30 70 Recuperação elástica; 10cm; 25℃ % NBR 15086 72 50 - Viscosidade Brookfield 175℃ - spindle 3, 20 rpm cP NBR 15529 1506 800 2000 Ponto de fulgor ℃ NBR 11341 269 235 -
Ensaio de separação de fase Δ P.A. ℃ NBR 15166 3,8 - 9
Massa específica a 25℃ kg/m3 NBR 6296 1,024 -
Ensaio de caracterização após envelhecimento no RTFOT
Variação de Massa % NBR 15235 0,13 -1,0 1,0
Variação do ponto de amolecimento ℃ NBR 6560 3,2 - 1,0 Porcentagem de recuperação
elástica original; 10 cm, 25℃ % NBR 15086 104,7 100 - Porcentagem de penetração original;
25℃ % NBR 6576 56 55 -
Fonte: CBB Asfaltos, 2019.
Os resultados dos ensaios de caracterização (Tabela 2) mostraram que o asfalto borracha está enquadrado nas especificações brasileiras (Figura 14) e pode ser usado na produção de misturas asfálticas.
3.2.3. Asfalto RET
O asfalto RET foi caracterizado pela empresa fornecedora, cujos resultados são mostrados na Tabela 3.
Tabela 3: Resultados dos ensaios de caracterização do asfalto RET.
Características Unidade Método de
Ensaio Resultados Limites Mínimo Máximo Ponto de amolecimento ℃ NBR 6560 64,7 60 - Penetração; 100g; 5s; 25℃; 0,1mm 0,1 mm NBR6576 50 40 70 Recuperação elástica; 10cm; 25℃ % NBR 15086 85 80 - Viscosidade Brookfield 135℃ - spindle 21, 200 rpm cP NBR 15529 1955 - 3000 150℃ - spindle 21, 50 rpm 822 - 2000 177℃ - spindle 21, 100 rpm 235 - 1000 Ponto de fulgor ℃ NBR 11341 265 235 -
Ensaio de separação de fase Δ P.A. ℃ NBR 15166 3,2 - 5 Solubilidade em Tricloroetileno % (em massa) NBR14855 99,9 - - Massa especifica a 25℃ kg/m3 NBR 6296 1,003 - - Ensaio de caracterização após envelhecimento no RTFOT Variação de Massa % NBR 15235 -0,153 -1,0 1,0 Variação do ponto de amolecimento ℃ NBR 6560 -3,4 -5 7,0 Porcentagem de recuperação elástica original; 10 cm, 25℃ % NBR 15086 98,9 80 - Porcentagem de penetração original; 25℃ % NBR 6576 62,3 60 - Fonte: CBB Asfaltos, 2019.
3.2.4. Asfalto SBS
A Tabela 4 mostra os resultados dos ensaios de caracterização do asfalto SBS realizados pela empresa fornecedora.
Tabela 4: Resultados dos ensaios de caracterização do asfalto SBS.
Características Unidade Método de
Ensaio Resultados Limites Mínimo Máximo Ponto de amolecimento ℃ NBR 6560 68,2 65 - Penetração; 100g; 5s; 25℃; 0,1mm 0,1 mm NBR6576 45 40 70 Recuperação elástica; 10cm; 25℃ % NBR 15086 92 90 - Viscosidade Brookfield 135℃ - spindle 21, 200 rpm cP NBR 15529 1410 - 3000 150℃ - spindle 21, 50 rpm 669 - 2000 177℃ - spindle 21, 100 rpm 245 - 1000 Ponto de fulgor ℃ NBR 11341 261 235 - Ensaio de separação de fase Δ P.A. ℃ NBR 15166 2 - 5 Solubilidade em Tricloroetileno % (em massa) NBR14855 99,9 - - Massa especifica a 25℃ kg/m3 NBR 6296 1,011 - -
Ensaio de caracterização após envelhecimento no RTFOT Variação de Massa % NBR 15235 -0,333 -1,0 1,0 Variação do ponto de amolecimento ℃ NBR 6560 5,1 -5 7,0 Porcentagem de recuperação elástica original; 10 cm, 25℃ % NBR 15086 97,8 80 - Porcentagem de penetração original; 25℃ % NBR 6576 68 60 - Fonte: CBB Asfaltos, 2019. 3.3. Método 3.3.1. Coleta de amostras
As amostras de asfalto foram ensaiadas, na condição de asfalto virgem no reômetro de cisalhamento dinâmico conforme preconiza a metodologia Norte Americana SUPERPAVE ®.
Foram realizados três ensaios diferentes utilizando o reômetro. O primeiro a temperaturas mais elevadas para a determinação do PG verdadeiro e o segundo com variação de frequência para obtenção da curva mestra. O segundo ensaio foi realizado em duas etapas a primeira utilizando os pratos de 25 mm e a segunda com os pratos de 8
