Asfaltos: Caracterização Brasileira Bloco 2 Asfaltos: Caracterização Brasileira

Autoria As aulas contidas neste CD foram elaboradas pela seguinte equipe de professores: Liedi Légi Bariani Bernucci - Universidade de São Paulo Jorge Augusto Pereira Ceratti - Universidade Federal do Rio Grande do Sul Laura Maria Goretti da Motta - Universidade Federal do Rio de Janeiro Jorge Barbosa Soares - Universidade Federal do Ceará

Lista dos assuntos do CD completo Este CD contém 30 aulas, em 10 blocos organizados por assunto: Bloco 1 – Introdução Bloco 2 – Asfaltos Bloco 3 – Agregados e Fíler Bloco 4 – Tipos de Revestimentos Asfálticos Bloco 5 – Dosagem de Misturas Asfálticas e de Tratamento superficial Bloco 6 – Propriedades Mecânicas de Misturas Asfálticas Bloco 7 – Materiais de Bases e Soluções de Pavimentação Asfáltica Bloco 8 – Técnicas Executivas Bloco 9 – Avaliação de Pavimentos Asfálticos Bloco 10 – Técnicas de Restauração e Reabilitação de Pavimentos Asfálticos

Observação O conteúdo das aulas aqui apresentadas tem caráter educacional e foi elaborado pelos quatro autores a partir das respectivas experiências em ensino, pesquisa e extensão. As informações possuem a contribuição de alunos e profissionais envolvidos nestas atividades. Na melhor de suas possibilidades, os autores registraram o crédito devido nas diversas informações, incluindo fotos e figuras. Nenhuma informação deverá ser entendida como conselho ou recomendação de qualquer ordem. Os materiais referidos não poderão ser copiados, reproduzidos, adaptados, publicados ou distribuídos em qualquer forma sem o consentimento prévio dos autores.

Cimento Asfáltico de Petróleo Classificado por penetração a 25ºC (até 2005) em algumas refinarias: 30/45 50/60 85/100 150/200 Classificado por viscosidade a 60°C (até 2005): CAP 7 CAP 20 CAP 40

Cimento Asfáltico de Petróleo Classificado por penetração a 25ºC (a partir de 2005): 30/45 50/70 85/100 150/200

Classificação CAP 2005 Características da Tabela de Especificação com os métodos de ensaio: Penetração NBR 6576 - Materiais betuminosos - Determinação da penetração. ASTM D 5 - Determinação de penetração de materiais betuminosos (Penetration of Bituminous Materials). Ponto de Amolecimento NBR 6560 - Materiais betuminosos - Determinação do ponto de amolecimento - Método do anel e bola. ASTM D 36 - Determinação do ponto de amolecimento (método do anel e bola) (Softening Point of Bitumen (Ring-and-Ball Apparatus).

Classificação CAP 2005 Características da Tabela de Especificação com os métodos de ensaio: Viscosidade Saybolt-Furol e Viscosidade Brookfield NBR 14950 - Materiais betuminosos - Determinação da viscosidade Saybolt Furol. ASTM E 102 - Determinação da Viscosidade Saybolt Furol de materiais betuminosos a temperaturas elevadas (Standard Test Method for Saybolt Furol Viscosity of Bituminous Materials at High Temperatures). ASTM D 4402 - Determinação da viscosidade do asfalto a temperaturas elevadas usando um viscosímetro rotacional (Viscosity Determination of Asphalt at Elevated Temperatures Using a Rotational Viscometer).

Classificação CAP 2005 Tabela de Especificação - seguintes métodos de ensaio (cont.): Ponto de Fulgor NBR 11341 - Derivados de petróleo - Determinação dos pontos de fulgor e de combustão em vaso aberto Cleveland. ASTM D 92 - Determinação dos pontos de fulgor e de combustão em vaso aberto Cleveland (Flash and Fire Points by Cleveland Open Cup Tester). Solubilidade em Tricloroetileno NBR 14855 - Materiais betuminosos - Determinação da solubilidade em tricloroetileno. ASTM D 2042 - Solubilidade de materiais betuminosos em tricloroetileno (Solubility of Asphalt Materials in Trichloroethylene).

Classificação CAP 2005 Tabela de Especificação - seguintes métodos de ensaio (cont.): Dutilidade NBR 6293 - Materiais betuminosos - Determinação da dutilidade. ASTM D 113 - Dutilidade de materiais betuminosos (Ductility of Bituminous Materials). Variação em Massa NBR 15235 – Materiais asfálticos – Determinação do efeito do calor e do ar em uma película delgada rotacional. ASTM D 2872 - Effect of Heat and Air on a Moving Film of Asphalt (Rolling Thin-Film Oven Test).

Tabela Especificação 2005 Características Unidade Limites Métodos CAP 30-45 CAP 50-70 CAP 85-100 CAP 150-200 ABNT ASTM Penetração (100g, 5s, 25, oC) 0,1mm 30 a 45 50 a 70 85 a 100 150 a 200 NBR 6576 D 5 Ponto de Amolecimento oC 52 46 43 37 NBR 6560 D 36 Viscosidade Saybolt-Furol s NBR 14950 E 102 a 135oC 192 141 110 80 a 150oC 90 50 36 a 177oC 40 a 150 30 a 150 15 a 60 Viscosidade Brookfield cP NBR 15184 D 4402 a 135oC, SP 21, 20rpm mín 374 274 214 155 a 150oC, SP 21, mín 203 112 97 81 a 177oC, SP 21 mín 76 a 285 57 a 285 28 a 114 Índice de Susceptibilidade Térmica (-1,5) a (+0,7) - Ponto de Fulgor mín. 235 NBR 11341 D 92 Solubilidade em tricloroetileno, mín % massa 99,5 NBR 14855 D 2042 Ductilidade a 25 oC, mín. cm 60 100 NBR 6293 D 113 (*) relação entre a penetração após o efeito do calor e do ar em estufa RTFOT e a penetração antes do ensaio.

Efeito calor e ar a 163 oC, 85 mín Tabela Especificação 2005 (cont.) Efeito calor e ar a 163 oC, 85 mín D 2872 Variação em massa, máx % massa 0,5 Ductilidade a 25 oC cm 10 20 50 NBR 6293 D113 Aumento do Ponto de Amolecimento oC 8 NBR 6560 D 36 Penetração Retida (*) % 60 55 NBR 6576 D 5 (*) relação entre a penetração após o efeito do calor e do ar em estufa RTFOT e a penetração antes do ensaio. (*) relação entre a penetração após o efeito do calor e do ar em estufa RTFOT e a penetração antes do ensaio.

Ensaios correntes da classificação brasileira CAP Ensaios correntes da classificação brasileira

Penetração Ensaio de classificação de cimentos asfálticos. Medida de consistência. Ensaio a 25ºC, 100 g, 5s NBR 6576. Presente em especificações ASTM e européias.

Penetração Amostra a 25oC Equipamento

Ensaios de Consistência Penetração (ASTM D5-94 e NBR 6576) Profundidade, em décimo de milímetro, que uma agulha de massa padronizada (100 g) penetra numa amostra de cimento asfáltico (por 5 segundos) à temperatura de 25 C.

Solubilidade (Pureza) Em tricloroetileno NBR 14855

Solubilidade (Pureza) (2) Cadinho com papel filtro (esq) Amostra antes da filtragem (dir) (1) Materiais e equipamentos Foto:PBS (3) Amostra dissolvida em tricloroetileno (4) Filtragem com auxílio de vácuo

Ponto de Amolecimento Ensaio classificatório de especificações européias Especificação NBR 6560 Empregado para estimativa de susceptibilidade térmica. Presente em especificações de asfaltos modificados e asfaltos soprados.

Ensaios de Consistência Ponto de Amolecimento - Anel Bola Uma bola de aço de dimensões e peso especificados é colocada no centro de uma amostra de asfalto em banho. O banho é aquecido a uma taxa controlada de 5C/minuto. Quando o asfalto amolece, a bola e o asfalto deslocam-se em direção ao fundo.

Ponto de Amolecimento Início do ensaio Final do ensaio

Viscosímetros para Fluídos Newtonianos Necessário para: Especificação de CAP (garantir bombeamento). Determinação da temperatura de usinagem e compactação. Por capilar – viscosidade cinemática. Determinação do tempo de escoamento em tubos / orifícios calibrados: Saybolt Furol ASTM D 88 e ASTM E 102. Cannon Fenske e Zeithfuchs ASTM D 2170. Brookfield (atual - mais moderno) Saybolt Furol

Viscosidade Capilar a Vácuo a 60ºC Ensaio da classificação brasileira de cimento asfáltico até 2005 NBR 5847 Presente em especificações ASTM e européias. Medida de consistência.

Ensaio de Viscosidade Absoluta Uso de tubos capilares especiais com referências. Banho a 60o C. Uso de vácuo para empurrar o asfalto no tubo: 300 mm de Hg. Marca-se o tempo entre referências. Viscosidade expressa em Pa.s (Poise). Foto: IPT

Asphalt Institute Tube Zietfuchs Cross-Arm Tube Tipos de Tubos de Medida de Viscosidade Asphalt Institute Tube Zietfuchs Cross-Arm Tube

Viscosímetro Cannon Fenske e Zeithfuchs Viscosímetro Saybolt Furol Ensaios de Consistência - Viscosidade Viscosímetro Cannon Fenske e Zeithfuchs Viscosímetro Saybolt Furol

Viscosímetro Rotacional (Brookfield) MEDIDAS: propriedades relacionadas ao bombeamento e estocagem. ABNT 15184 (2004) ASTM D 4402 (2002) RESULTADOS: comportamento do fluido viscosidade x taxa de cisalhamento x tensão de cisalhamento; viscosidade dinâmica (cP); gráfico temperatura-viscosidade para projeto de mistura.

Viscosímetro Rotacional (Brookfield)

Ensaios de Consistência Dutilidade A dutilidade é dada pelo alongamento em centímetros obtido antes da ruptura de uma amostra de CAP com o menor diâmetro de 1 cm2, em banho de água a 25 C, submetida pelos dois extremos à tração de 5 cm/minuto.

Dutilidade Resistência à tração do ligante. Empregado para ensaios de retorno elástico de asfaltos modificados.

Ensaios de Segurança Ponto de Fulgor Menor temperatura, na qual os vapores emanados durante o aquecimento do material asfáltico se inflamam quando expostos a uma fonte de ignição.

Ponto de Fulgor (Segurança) Termômetro Cápsula cheia de amostra Ponta ligada ao gás

Ponto de Fulgor Requisito de segurança. Vaso aberto Cleveland.

Ensaio de Durabilidade: Efeito do Calor e do Ar Estufa de Efeito de Calor e Ar: Película Delgada (TFOT) Simula o envelhecimento da usinagem; Temperatura: 163°C; Tempo: 5h; Determina a perda ou ganho de peso; Especificação ASTM D 1754; Especificação ABNT 14736 .

Estufa de Película Fina Vista da estufa fechada Termômetro Prato Prato com asfalto Placa rotativa Foto: Patricia Barboza da Silva

Estufa de filme rotativo Ensaios de Durabilidade Estufa de Filme Fino Rotativo (Rolling Thin Film Oven Test - RTFOT) - ABNT 15235 e ASTM 2872 Neste ensaio, uma fina película de asfalto é continuamente girada numa jarra de vidro a 163 C por 85 minutos, com uma injeção de ar a cada 3 a 4 segundos. Estufa de filme rotativo

Estufa de Película Fina Rotativa

Estufa de Película Fina Rotativa Cilindro para colocar a amostra de ligante

Recipiente coberto após ensaio RTFOT Recipiente para ligante na RTFOT Antes do preenchimento após do preenchimento com ligante Recipiente coberto após ensaio RTFOT

Ensaio de massa específica do ligante ABNT 6296 ETAPAS: Picnômetro com asfalto e água Determinação da massa do picnômetro totalmente preenchido com água a 25°C Determinação da massa do picnômetro preenchido até a metade com asfalto a 25°C Determinação da massa do picnômetro preenchido metade com água e metade com asfalto, a 25°C

Etapas do ensaio de massa específica do ligante (1) Picnômetros com asfalto e com água (2) Massa do picnômetro com água a 25oC Fotos: Patricia B. Silva (3) Massa do picnômetro com asfalto até a metade (4) Massa do picnômetro com metade asfalto e metade água

Antiga Especificação para CAP no Brasil (1992 -2005) De acordo com as Especificações Brasileiras DNC 1992, os CAP eram classificados quanto à viscosidade até 2005 em: CAP 7, CAP 20, CAP 40. Valores Métodos Características Unidades CAP - 7 CAP - 20 CAP - 40 ABNT ASTM Viscosidade a 60ºC P 700 a 1500 2000 a 3500 4000 a 8000 MB-827 D 2171 Viscosidade Saybolt S 100 min. 120 min. 170 min. MB-517 E 102 Furol a 135ºC D 2170 a 177ºC s 15 a 60 30 a 150 40 a 150 D 2161 (1) Efeito do calor e do ar (ECA) a 163ºC por 5h - Variação em massa % 1,0 máx. 1,0 máx. 1,0 máx. MB-425 D 1757 - Relação de viscosidade 4,0 máx. 4,0 máx. 4,0 máx. (2) - Ductilidade a 25ºC cm 50 min. 20 min. 10 min. MB-167 D 113 Índice de susceptibilidade térmica (-1,5) a (+1) (-1,5) a (+1) (-1,5) a (+1) (3) Penetração (100g, 5s, 25ºC) 0,1mm 90 min. 50 min. 30 min. MB-107 D 5 Ponto de fulgor ºC 220 min. 235 min. 235 min. MB-50 D 92 Solubilidade em tricloroetileno % massa 99,5 min. 99,5 min. 99,5 min. MB-166 D 2042

Antiga Especificação para CAP no Brasil (1992-2005) De acordo com as Especificações Brasileiras DNC 1992, os CAP eram classificados quanto à penetração até 2005 em: CAP 30-45, CAP 50-60, CAP 85-100, CAP150-200. Valores Métodos Características Unidades CAP 30/45 CAP 50/60 CAP 85/100 CAP 150/200 ABNT ASTM Penetração (100g, 5s, 25ºC) 0,1 mm 30 a 45 50 a 60 85 a 100 150 a 200 MB-107 D 5 Ductilidade a 25ºC cm 60 min. 60 min. 100 min. 100 min. MB-167 D 113 Efeito do calor e do ar (ECA) a 163ºC por 5h - Penetração (1) 50 min. 50 min. 47 min. 40 min. MB-107 D 5 - Variação em massa % 1,0 máx. 1,0 máx. 1,0 máx. 1,0 máx. MB-425 D 1757 Índice de susceptibilidade térmica (-1,5) a (+1) (-1,5) a (+1) (-1,5) a (+1) (-1,5) a (+1) (2) Ponto de fulgor ºC 235 min. 235 min. 235 min. 220 min. MB-50 D 92 Solubilidade em tricloroetileno % massa 99,5 min. 99,5 min. 99,5 min. 99,5 min. MB-166 D 2042 Viscosidade Saybolt s 110 min. 110 min. 85 min. 70 min. MB-517 E 102 Furol a 135ºC D 2170 e D 2161 (3)

IP 87 - Ponto de Ruptura Fraass - Especificação Alemã Depende da consistência da matéria-prima – CAP. Adição de SBS, SBR e BMP reduz no máximo 7ºC do Fraass do CAP original. Ensaio que apresenta correlação com resultados do BBR e Tg.

Comportamento do Asfalto Comportamento Viscoelástico Correlação entre tempo/temperatura

Usos do Cimento Asfáltico Matéria-prima de asfaltos diluídos, emulsões asfálticas, asfaltos modificados, asfalto espuma e asfaltos soprados. Aplicações rodoviárias a quente – concreto betuminoso a quente – CBUQ e misturas especiais – CPA, SMA, BBTM, Gap-graded, etc.

Bitumen Test Data Chart - BTDC

Parâmetro  correlaciona com frações cristalizáveis - DSC Tolerância Prevista pela SHELL em 1989 Parâmetro  correlaciona com frações cristalizáveis - DSC 180 120 60 °C Ponto de Amolecimento = Pen 800 Ruptura Fraass 102 103 101 100 104 Penetração@25°C, dmm Viscosidade 60°C, P x Viscosidade 13.000 P TIPO W S Parâmetro  = PA – T 13000P < 8ºC

BTDC de um Asfalto Convencional e um Modificado por Polímero 180 120 60 °C Ponto de Amolecimento Ruptura Fraass 102 103 101 100 104 Asfalto Polímero Convencional (CAP 20) Penetração@25°C, dmm Viscosidade 60°C, P

Defeitos Associados a Temperaturas de Serviço

Deformação Permanente Ocorre a temperaturas altas No Brasil, entre 62 e 70 ºC Influência predominante do agregado Influência menor do ligante

Trincas por Fadiga Ocorre a temperaturas intermediárias No Brasil, entre 25 e 40 ºC Nos EUA, entre 20 e 30ºC Efeito do agregado e do ligante

Trincas Térmicas Ocorre somente em países frios, geralmente em temperaturas inferiores a -10 º C Influência predominante do ligante Influência menor do agregado

Requisitos das Especificações de AC 20 (EUA) e CAP 20 (BR) FADIGA PEN VISC. 2000 MÍNIMO 50 MÍNIMO TIPO S º C DEFORMAÇÃO

Efeito da Baixa Penetração VISC. 2000 40 TIPO S º C

Efeito da Viscosidade Baixa PEN VISC. 1500 50 TIPO S º C

Equivalência das Temperaturas Relativas à Fadiga PEN VISC. 2000 50 TIPO S º C 21 35 30 200 BRASIL EUA