Definição
Materiais betuminosos são associações de hidrocarbonetos solúveis em bissulfeto de carbono. São subdivididos em duas categorias: os asfaltos e os alcatrões: Asfaltos: são obtidos através de destilação do petróleo. Podem ser
naturais ou provenientes da refinação do petróleo. Alcatrões: são obtidos através da refinação de alcatrões brutos, que por sua vez vêm da destilação de carvão mineral. O alcatrão praticamente não é mais utilizado em pavimentação desde que se determinou o seu poder cancerígeno. Além disso, apresenta pouca homogeneidade e baixa qualidade para ser utilizado como ligante em pavimentação.
Atualmente há a total predominância do ligante proveniente do petróleo na pavimentação, com o abandono do alcatrão. Dessa forma fica aceitável a utilização dos termos betume e asfalto como sinônimos (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares). Produção brasileira: A Petrobras possui nove conjuntos produtores e distribuidores de asfalto de petróleo no Brasil: Amazonas (Manaus: REMAN), Ceará (Fortaleza: LUBNOR), Bahia (Mataripe: RLAM), Minas Gerais (Betim: REGAP), Rio de Janeiro (Duque de Caxias: REDUC), São Paulo (Paulínia: REPLAN e São José dos Campos: REVAP), Paraná (Araucária: REPAR) e Rio Grande do Sul (Canoas: REFAP), além de uma unidade de
exploração de xisto, localizada no Paraná, que produz insumos para pavimentação. Possui ainda fábricas de emulsões asfálticas pertencentes a Petrobras Distribuidora e laboratórios de análise em todas as suas 11 refinarias.
Materiais betuminosos utilizados em pavimentação cimentos asfálticos de petróleo (CAP) asfaltos diluídos (ADP) emulsões asfálticas (EAP) asfaltos modificados por polímero (AMP) e asfaltos modificados por borracha (AMB)
O CAP é a base de todos os outros produtos. Cimentos Asfálticos de Petróleo (CAPs) São o produto básico da destilação do petróleo São semi-sólidos a temperatura ambiente, necessitando de aquecimento para adquirir consistência adequada para utilização
Os CAPs são constituídos por 90 a 95% de hidrocarbonetos e por 5 a 10% de heteroátomos (oxigênio, enxofre, nitrogênio e metais – vanádio, níquel, ferro, magnésio e cálcio) unidos por ligações covalentes. Os cimentos asfálticos de petróleos brasileiros têm baixo teor de enxofre e de metais, e alto teor de nitrogênio, enquanto os procedentes de petróleos árabes e venezuelanos têm alto teor de enxofre (Leite, 1999). A composição do CAP é bastante complexa, sendo que o número de átomos de carbono por molécula varia de 20 a 120. A composição varia com a fonte do petróleo, com as modificações induzidas nos processos de refino e durante o envelhecimento na usinagem e em serviço. Uma análise elementar pode apresentar as seguintes proporções de
componentes: carbono de 82 a 88%; hidrogênio de 8 a 11%; enxofre de 0 a 6%; oxigênio de 0 a 1,5% e nitrogênio de 0 a 1%. A característica de termoviscoelasticidade desse material manifesta-se no comportamento
mecânico, sendo suscetível à velocidade, ao tempo e intensidade de carregamento, e à temperatura de serviço. O comportamento termoviscoelástico é mais comumente assumido do que o termoviscoplástico, com suficiente aproximação do real comportamento do material. O CAP é um material quase totalmente solúvel em benzeno, tricloroetileno ou em bissulfeto de carbono, propriedade utilizada como um dos requisitos de especificações.
Classificação dos CAPs segundo sua Viscosidade Absoluta a 60ºC (em poises):
• CAP 7: η = 700 a 1500 poises
• CAP20: η = 2000 a 3500 poises
• CAP40: η = 4000 a 8000 poises
Classificação dos CAPs segundo ensaio de Penetração, realizado a 25ºC (100g, 5s,
25ºC):
• CAP 30/45
• CAP 50/70
• CAP 85/100
• CAP 100/120
• CAP 150/200
Asfalto Diluído – os asfaltos diluídos, também conhecidos como asfaltos recortados ou “cutbacks”, resultam da diluição do cimento asfáltico por destilados de petróleo
– os diluentes proporcionam produtos menos viscosos que podem ser
aplicados a temperaturas mais baixas e devem evaporar totalmente, deixando
como resíduo o CAP
– o fenômeno de evaporação do diluente denomina-se cura
– são classificados de acordo com a velocidade de cura em três categorias:
cura rápida (CR), cura média (CM) e cura lenta (CL), sendo que os asfaltos
diluídos de cura lenta não são produzidos no Brasil.
– quanto à viscosidade, são subdivididos de acordo com as seguintes faixas:
Asfalto diluído
Viscosidade cinemática a
60ºC, cSt
CR-30 30-60
CR-70 70-140
CR-250 250-500
CR-3000 3000-6000
CM-30 30-60
CM-70 70-140
CM-250 250-500
CM-800 800-1600
Emulsões Asfálticas – são dispersões de uma fase asfáltica em uma fase aquosa ou vice-versa
– produto estável empregado em serviços de pavimentação à temperatura
ambiente
– nunca devem ser aquecidas acima de 70ºC
– emulsão asfáltica catiônica: cimento asfáltico de petróleo (CAP), água,
agente emulsificante e energia de dispersão da fase asfáltica na fase aquosa
Ruptura de Emulsão
– fenômeno que ocorre quando os glóbulos de asfalto dispersos em água, em
contato com o agregado mineral, sofrem uma ionização por parte deste,
dando origem à formação de um composto insolúvel em água que se
precipitará sobre o agregado Classificação das Emulsões Asfálticas: de acordo com a estabilidade, ou tempo de ruptura, podemos ter:
– Ruptura rápida (RR): pintura de ligação, imprimação, tratamentos superficiais, macadame betuminoso
– Ruptura média (RM): pré-misturados a frio
– Ruptura lenta (RL): estabilização de solos e preparo de lama asfáltica
Influência da temperatura nas propriedades físicas do asfalto Conforme notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares: Todas as propriedades físicas do asfalto estão associadas à sua temperatura. O modelo estrutural do ligante como uma dispersão de moléculas polares em meio não-polar ajuda a entender o efeito da temperatura nos ligantes asfálticos. Em temperaturas muito baixas, as moléculas não têm condições de se mover umas em relação às outras e a viscosidade fica muito elevada; nessa situação o ligante se comporta
quase como um sólido. À medida que a temperatura aumenta, algumas moléculas começam a se mover podendo mesmo haver um fluxo entre as moléculas. O aumento do movimento faz baixar a viscosidade e, em temperaturas altas, o ligante se comporta como um líquido. Essa transição é reversível. Um dos critérios mais utilizados de classificação dos ligantes é a avaliação da sua suscetibilidade térmica, por algum ensaio que meça direta ou indiretamente sua consistência ou viscosidade em diferentes temperaturas.
Portanto, todos os ensaios realizados para medir as propriedades físicas dos ligantes asfálticos têm temperatura especificada e alguns também definem o tempo e a velocidade de carregamento, visto que o asfalto é um material termoviscoelástico. Para se especificar um determinado asfalto como adequado para pavimentação, a maioria dos países utiliza medidas simples de características físicas do ligante, pela facilidade de execução nos laboratórios de obras. As duas principais características utilizadas são: a “dureza”, medida através da penetração de uma agulha padrão na amostra de ligante, e a
resistência ao fluxo, medida através de ensaios de viscosidade.
Acrescentaram-se ao longo dos anos nas especificações alguns outros critérios de aceitação que são associados a ensaios empíricos, que, a princípio, tentam avaliar indiretamente o desempenho futuro do ligante nas obras de pavimentação. Os ensaios físicos dos cimentos asfálticos podem ser categorizados entre ensaios de consistência, de durabilidade, de pureza
e de segurança.
Principais ensaios para controle de cimento asfáltico de petróleo
Espuma:
– O CAP é aquecido até determinada temperatura e a seguir verifica-se se há
ou não a presença de espuma no material, decorrente da presença de água. A
presença de água pode ser perigosa durante o aquecimento, podendo causar
acidentes
Ponto de Fulgor
– Consiste na determinação da temperatura para a qual uma amostra de
produto asfáltico começa a liberar gases inflamáveis. É utilizado para
identificar contaminação por solventes e para prevenir acidentes
Densidade
– Utilizado para transformar unidades gravimétricas em volumétricas e
também para o cálculo da densidade teórica e do volume de vazios
Solubilidade em bissulfeto de carbono
– Utilizado para verificar a pureza do CAP, ou seja, mede-se o teor de betume
contido no asfalto Ductilidade(DNER-ME 63/98)
– É a propriedade do material suportar grandes deformações sem ruptura.
Caracteriza a resistência à tração e a flexibilidade do CAP. Quanto mais
dúctil, maior a flexibilidade
– Para os materiais betuminosos, a ductilidade é a distância em cm que um
corpo de prova padronizado se alonga até a ruptura, quando submetido a
tração
– Temperatura de ensaio: 25ºC
Ensaio de Oliensis (Teste da mancha ou spot test)
– Verifica se o asfalto foi superaquecido durante a fabricação ou o transporte
– Consiste em verificar se uma gota de CAP dissolvido em nafta, em banhomaria,
tem aspecto homogêneo em coloração
– Se o aspecto for homogêneo representa que o teste é negativo, caso contrário
(centro da mancha for negro), houve superaquecimento e o resultado do teste
é positivo
Efeito do calor e do ar
– Simula o envelhecimento do CAP durante a mistura em usina e durante sua
vida em serviço
– Consiste no aquecimento de uma fina película de asfalto, em uma estufa
ventilada, por um determinado tempo
– Após esse processo, mede-se a variação de peso e de penetração em relação
ao CAP original
Viscosidade Saybolt-Furol
– É um índice técnico que se relaciona, de maneira desconhecida, com a
viscosidade.
– Consiste na medida do tempo (em s) que uma determinada quantidade de
material asfáltico (60 ml) leva para fluir através de um orifício padronizado
Figura 4 – Exemplo de equipamento Saybolt-Furol de ensaio de viscosidade e esquema do
interior do equipamento (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares).
No Brasil,
No Brasil, o viscosímetro mais usado para os materiais asfálticos é o de Saybolt-Furol (Saybolt: o inventor; e Furol: Fuel Road Oil). O aparelho consta, basicamente, de um tubo com formato e dimensões padronizadas, no
fundo do qual fica um orifício de diâmetro 3,15 ± 0,02mm. O tubo, cheio de material a ensaiar, é colocado num recipiente com óleo (banho) com o orifício fechado. Quando o material estabiliza na temperatura exigida (25 a 170ºC, dependendo do material e 135ºC para os cimentos asfálticos), abre-se o orifício e inicia-se a contagem do tempo. Desliga-se
o cronômetro quando o líquido alcança, no frasco inferior, a marca de 60ml. O valor da
viscosidade é reportado em segundos Saybolt-Furol, abreviado como SSF, a uma dada
temperatura de ensaio.
Além do uso na especificação, a medida da viscosidade do ligante asfáltico tem grande importância na determinação da consistência adequada que ele deve apresentar quando da mistura com os agregados para proporcionar uma perfeita cobertura dos mesmos e quando de sua aplicação no campo. Para isso é necessário se obter, para cada ligante asfáltico, uma curva de viscosidade com a temperatura que permita escolher a faixa de temperatura adequada para as diversas utilizações.
Viscosidade Absoluta
Considere-se um líquido contido entre duas placas paralelas, cada uma com área A. Seja a placa inferior fixa e considere a aplicação de uma força Ft à placa superior. A força Ft gera uma tensão de cisalhamento, tangencial ao fluido. O fluido adjacente à placa superior adquire a mesma velocidade da placa (princípio da aderência). As camadas inferiores do fluido adquirem velocidades tanto menores quanto maior for a distância em relação à placa superior. A velocidade do fluido adjacente à placa inferior é zero (em virtude da aderência). Assim, cria-se um gradiente de velocidades que, simplificadamente, é dado pela razão entre
a diferença de velocidades entre as camadas de fluido junto de cada uma das placas, Δv (que corresponde à velocidade adquirida pela placa superior, v) e a separação entre essas placas, L.
O ensaio para medida da viscosidade pode ser realizado no viscosímetro Brookfield rotacional. Esse viscosímetro utiliza um sistema em que o torque para girar uma pá dentro da amostra, em velocidade constante, é relacionado com a viscosidade absoluta (dinâmica).
Penetração
Consiste na medida (em décimos de mm) do quanto uma agulha padrão penetra verticalmente em uma amostra de material betuminoso sob condições específicas de temperatura (25ºC), carga (100g) e tempo (5 segundos).
A condição de ensaio influencia na “consistência” do cimento asfáltico
Ponto de amolecimento (ensaio de anel e bola)
– Este ensaio estabelece uma temperatura de referência, similar à temperatura
de fusão dos materiais – Os CAPs, em suas respectivas temperaturas de Ponto de Amolecimento apresentam, aproximadamente, a mesma penetração (800 × 0,1 mm)
– Ensaio: anel contendo amostra de asfalto, com uma esfera de aço apoiada
sobre a amostra, é submetido a um banho-maria, com taxa de aumento de
temperatura do líquido de 5ºC/min.
– Ao atingir determinada temperatura o asfalto fluirá com o peso da esfera de
aço apoiada em sua superfície e se deslocará 1” até tocar o fundo do
recipiente
– Anota-se a temperatura nesse momento, que é o chamado ponto de
amolecimento
Índice de susceptibilidade térmica (Pfeiffer e Van Doormaal):
É resultante da relação definida entre o ponto de amolecimento e a penetração.
A suscetibilidade térmica indica a sensibilidade da consistência dos ligantes asfálticos à variação de temperatura. Trata-se de uma propriedade importante dos ligantes asfálticos uma vez que se eles forem muito suscetíveis à variação de estado ou de propriedades frente à variação de temperatura, não serão desejáveis na pavimentação. É desejável que o ligante asfáltico apresente variações pequenas de propriedades mecânicas, nas temperaturas de
serviço dos revestimentos, para evitar grandes alterações de comportamento frente às variações de temperatura ambiente (Fonte: Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares). Diferentes abordagens podem ser usadas para se determinar a suscetibilidade térmica dos ligantes. Normalmente tem-se calculado para essa finalidade o Índice de Suscetibilidade Térmica ou Índice de Penetração. Pelo procedimento proposto em 1936 por Pfeiffer e Van Doormaal esse índice é determinado a partir do ponto de amolecimento (PA) do CAP e de sua penetração a 25ºC, incluindo-se a hipótese que a penetração do CAP no seu ponto de amolecimento é de 800 (0,1mm).
Temperatura de Aquecimento dos CAPs Há uma relação entre a temperatura e os resultados de ensaios de Viscosidade Saybolt- Furol, que indica as melhores temperaturas para o aquecimento do cimento asfáltico nos processos de mistura e compactação. Até o agregado que será utilizado na mistura deve estar em uma temperatura específica, a
fim de manter a temperatura do CAP num patamar de trabalhabilidade.
Temperaturas para o aquecimento do CAP e suas relações
A temperatura de aplicação do CAP deve ser determinada para cada tipo de ligante, em função da relação temperatura-viscosidade. A temperatura indicada é aquela na qual o asfalto apresenta uma viscosidade situada na faixa de 85 ± 10 segundos Saybolt-Furol. A temperatura recomendável para a compressão da mistura é aquela na qual o ligante apresenta uma viscosidade Saybolt-Furol de 140 ± 15 segundos.
Fonte; Notas de aula do Prof. Jorge Barbosa Soares
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