Bloco 2 Asfaltos Modificados

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.

Asfaltos Modificados Por polímeros Por borracha de pneu

Razões para Substituição de Asfaltos Convencionais por Modificados Rodovias com alto volume de tráfego (ex.:corredores de ônibus). Melhoria da resistência à formação de trilhas de roda e ao trincamento por fadiga. Aumento da coesividade e adesividade. Criação de membranas de proteção das camadas superficiais de reflexão de trincas. Revestimento de pontes para diminuir susceptibilidade térmica e aumentar resistência à flexão.

Razões para Substituição de Asfaltos Convencionais por Modificados Redução de custos de manutenção de pavimentos. Aumento da resistência ao envelhecimento e à oxidação. Aumento da resistência à abrasão de misturas. Uso de filmes mais espessos de ligante nos agregados. Aplicações em misturas CA e nas misturas não convencionais: SMA, ultradelgados, módulo elevado, camadas drenantes e microrrevestimentos.

O Que São Polímeros Macromoléculas: moléculas gigantescas que resultam do encadeamento de dez mil ou mais átomos de carbono, unidos por ligações covalentes, podendo ser naturais (madeira, borracha, lã, asfalto, etc.) ou sintéticas (plásticos, borrachas, adesivos, etc.). Polímeros (do grego “muitas partes”) são macromoléculas sintéticas, estruturalmente simples, constituídas de unidades estruturais repetidas em sua longa cadeia, denominadas monômeros. Os homopolímeros são constituídos por apenas um monômero, e os copolímeros são os que apresentam pelo menos dois monômeros em sua estrutura.

Principais Tipos de Polímeros (1) Termorrígidos: são aqueles que não se fundem, degradam numa temperatura limite e endurecem irreversivelmente quando aquecidos a uma temperatura que depende de sua estrutura química. Apresentam cadeias moleculares que formam rede tridimensional que resiste a qualquer mobilidade térmica. Por exemplo: resina epóxi, poliester, poliuretano. Termoplásticos: são aqueles que se fundem e se tornam maleáveis reversivelmente quando aquecidos. Normalmente consistem de cadeias lineares, mas podem ser também ramificadas. São incorporados aos asfaltos à alta temperatura. Por exemplo: polietileno, polipropileno, PVC.

Principais Tipos de Polímeros (2) Elastômeros: são aqueles que, desde que vulcanizados, apresentam propriedades elásticas. Quando aquecidos, decompõem-se antes de amolecer. Não vulcanizados apresentam comportamento plástico. Por exemplo: SBR (estireno butadieno). Elastômeros termoplásticos: são aqueles que, a baixa temperatura, apresentam comportamento elástico, mas quando aumenta a temperatura passam a apresentar comportamento termoplástico. Por exemplo: SBS (estireno butadieno estireno) e EVA (Etileno acetato de vinila).

Polímeros Empregados na Modificação de Asfalto – PIARC (1999) Espanha: 39% SBR, 26% EVA, 18% SBS e 12% SB. França: 80% elastômeros e 20% plastômeros. Portugal: 66% SBS e 33% EVA. Malásia: 72% NR e 28% SBS. Austrália: 44% SBS, 34% BMP e 23% EVA. Hungria: 45% SBS, 39% SBR e 15% EVA. Polônia: 61% SBS, 36% SBR e 3% NR. Áustria: 76% SBS, 18% resinas e 6% NR. Argentina: SBR em microrrevestimento, EVA em camada drenante e SBS em CBUQ.

Especificações de Asfaltos Modificados por Polímeros Existem muitas especificações no mundo: Brasil do DNER (atual DNIT) para modificação por SBS da Comissão de Asfalto IBP – ANP EUA SUPERPAVE ASTM para modificações por SBR, EVA e SBS Europa: para modificações por elastômeros e para modificações por plastômeros. Especificações para modificações por borracha moída de pneu. Especificações por misturas de EVA com SBS ou PIB.

Equipamentos de Mistura

Conformação Espacial do SBS Copolímero em bloco. Os triblocos podem ser parcialmente hidrogenados Domínio Butadiênico AAAAABBBBBAAAAA AAAAABBXBBAAAAA A B A = Estireno B = Butadieno Domínio Estirênico

Morfologia do Asfalto Modificado por SBS Microscópio Ótico de Fluorescência* asfalto enriquecido de asfaltenos polímero inchado cadeia PB domínio PS constituintes de asfalto de baixo PM * Ensaio de controle durante a produção

Morfologia do Asfalto Modificado por SBS Ensaio de controle durante a produção Matriz Asfáltica Matriz polimérica Asfalto polímero Microscópio Ótico de Fluorescência

Asfaltos Modificados por SBS Temperatura de usinagem e de compactação mais elevadas devido à alta viscosidade. SBS é o polímero que confere as melhores propriedades elásticas ao ligante modificado. SBS é de difícil incorporação, requer equipamentos sofisticados, formulação bem ajustada e bom controle das condições operacionais. Estabilidade à estocagem é fator importante e depende do tipo de fabricação. Apresenta boa resistência ao envelhecimento

Especificação do DNER de Asfalto Modificado por SBS Alguns avanços e algumas restrições que podem ser mudadas: Misturas a quente Um só tipo de produto; Ductilidade a 25ºC: não deveria ser especificada; Ausência de limite máximo para viscosidade; Retorno elástico mínimo de 85%; Viscosidade cinemática: deveria ser dinâmica.

Fatores a serem considerados em Asfaltos Modificados por SBS Mecanismo de modificação - inchamento e posterior formação de duas fases na escala micro. Micromorfologia compatível é sensível a tratamentos térmicos. Inversão da matriz asfáltica  polimérica ocorre em teores de 4 a 6%, que coincidem com faixa usual de utilização e com a variação drástica de propriedades (Ponto Amolecimento). Seleção de ligante que acarrete compatibilidade é questão econômica.

Morfologia do SBR Copolímero randômico. Apresenta-se sob forma de látex de fácil dispersão no CAP. PM altos acarretam aumento de viscosidade, limitando seu emprego em 3%. Propriedades mecânicas inferiores às do SBS. Existem vários tipos de SBR de mesmo teor de estireno, mas com propriedades distintas que resultam em misturas compatíveis com CAP de diferentes procedências.

Asfaltos Modificados por SBR SBR é facilmente incorporado ao CAP e não requer agitador de alto cisalhamento. Alta viscosidade a alta temperatura. Compatibilidade é fator crítico à semelhança do SBS. Teor limitado a 3,5% em peso correspondendo a PG 70. Melhor grau de desempenho PG não está associado ao maior retorno elástico.

Morfologia do EVA Maior teor de acetato, maior caráter amorfo e se aproxima de elastômero. Menor teor de acetato, maior a cristalinidade, comportamento plastomérico. Solubiliza em frações saturadas devido a natureza alifática - seqüências etilênicas de alto PM. Região Cristalina Região Amorfa

Asfaltos Modificados por EVA São fluidos pseudoplásticos acima de 100ºC. Apesar de ser considerado um plastômero, a região amorfa do EVA confere elasticidade, permitindo valores de retorno elástico de até 60%. Ligante com 5% de EVA apresenta valores de ângulos de fase e toughness& tenacity a 25ºC bem próximos aos obtidos com ligantes com 3% de SBS. Fácil incorporação. Apresenta boa resistência ao envelhecimento. Estabilidade à estocagem não é fator crítico, não é dependente da composição do CAP.

Morfologia do PE (Polietileno) Conformação plana com regularidade de cadeia, cristalino. PE funcionalizado com ramificações de 4 a 5 átomos de carbono, visualizadas por NMR produzem misturas compatíveis e menor viscosidade, devido ao menor volume molar e semelhança de parâmetros de solubilidade do CAP e polímero. Fácil dispersão no CAP.

Asfaltos Modificados por PE Obtenção de asfaltos modificados compatíveis e com baixa viscosidade a alta temperatura. A incorporação do PE não requer alto cisalhamento. Boa resistência ao envelhecimento. Promove resistência à deformação permanente.

Ensaios para Asfaltos Modificados Consistência: penetração e viscosidade. Segurança: ponto de fulgor. Densidade. Elasticidade: retorno elástico a 25ºC, antes e após RTFOT. Compatibilidade: variação do ponto de amolecimento. Outros ensaios de elasticidade: toughness & tenacity, ductilidade a 4, 5, 7, 10, 13 e 15ºC, tração & alongamento, força – ductilidade. Parâmetros reológicos: módulo complexo G*, ângulo de fase. Ensaios de desempenho: ponto de amolecimento, ponto de ruptura Fraass e coesividade. Resistência ao envelhecimento: variação do ponto de amolecimento e penetração. Grau de desempenho SUPERPAVE.

Compatibilidade de Asfaltos Modificados por SBS

Estabilidade à Estocagem Duas definições COMPATÍVEL - Inexiste a separação de fases, sem precauções com manuseio, estocagem sem agitação. SEMICOMPATÍVEL - A separação de fases pode ocorrer. A separação lenta pode ser evitada usando estocagem com agitação, e a separação rápida de fases requer agitação intensa, mesmo em transporte rápido.

ASTM D 5892 Compatibilidade Ensaio que quantifica estabilidade à estocagem. Correlaciona muito bem com observações em microscopia ótica por fluorescência. Correlaciona com resultados de tempo de relaxação do spin hidrogênio por NMR.

Ensaio de separação de fases

Coesividade Vialit Coesão, J/cm2 Temperatura, °C Asfalto Modificado por Polímero Coesão, J/cm2 Temperatura, °C

Coesividade Vialit

ASTM D 5801 Toughness & Tenacity Prensa Instron

ASTM D 5801 Toughness & Tenacity

Recuperação Elástica ASTM D 6084 Utiliza o dutilômetro; Molde modificado; Teste realizado a 25°C ou a 4°C; Velocidade de estiramento de 5 cm/min. Distingue bem materiais modificados com elastômeros dos demais.

Recuperação Elástica ASTM D 6084 – NBR 15086

Especificação de asfalto-polímero (SBS) Comissão de Asfalto do IBP (2005) – ANP 2007

Degradação de Asfalto Modificado por SBS por Envelhecimento GPC

Efeito do teor de SBS na Penetração

Comparação de Propriedades de Asfaltos Modificados

Propriedades do Asfalto Modificado com BMP

Comparação de Propriedades de Asfaltos Modificados

Aumento do Ponto de Amolecimento da Mistura com o Teor de Polímero Figura VI - Influência de teor de polímero sobre o ponto de amolecimento. 4 8 12 16 20 TEOR DE POLÍMERO SBS (% m/m) 40 60 80 100 120 PONTO DE AMOLECIMENTO (ºC)

Caracterização do Ligante Asfáltico Superpave (Superior Pavement) Propriedades a temperaturas intermediária/alta reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) viscosímetro rotacional (Brookfield) Propriedades a baixa temperatura reômetro de fluência de viga (BBR) teste de tração direta (DT) Propriedades ligadas à durabilidade estufa de filme fino rotativo (RTFOT) vaso de envelhecimento sob pressão (PAV)

Especificação de Ligantes Superpave Sistema de classificação baseado na temperatura do pavimento PG 70-22 grau de desempenho média das máximas de 7 dias consecutivos temperatura mínima de pavimento

Especificações Superpave Adaptada para Asfalto Modificado Inclusão de testes adicionais: Retorno elástico Ângulo de fase Força – ductilidade (force - ductility)

Dependência do Ângulo de Fase com a Temperatura 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Temperatura (°C) 30 90 CAP CAP + Polímero d (graus) Fig. VII - Ângulo de fase (d) versus Temperatura.

Modificação Elastomérica x CAP Convencional DESVANTAGENS risco de estocagem a longo prazo risco de ligante heterogêneo VANTAGENS maior coesão melhor adesão alta viscosidade* resistência ao envelhecimento** maior elasticidade resistência a tensões cisalhantes maior benefício/custo * evita reflexão de trincas ** asfalto borracha se destaca entre os demais nestas propriedades

Modificação de CAP por acréscimo de borracha moída de pneu. Asfalto Borracha Modificação de CAP por acréscimo de borracha moída de pneu.

Asfaltos Modificados por Borracha Moída de Pneu (BMP) São fluidos pseudoplásticos acima de 100ºC. Processo de incorporação utiliza alta temperatura e alto cisalhamento que propicia desvulcanização parcial da borracha moída durante a incorporação no asfalto. Processo depende do tamanho da partícula para garantia de compatibilidade. Menor tamanho de partícula da borracha propicia maior viscosidade a alta temperatura. Misturas com borracha de pneu requerem 3 a 4 vezes mais quantidade que polímero virgem para alcançar as mesmas propriedades reológicas, devido ao fato de a borracha conter 40 a 50% de elementos não polímeros e os polímeros estarem vulcanizados.

CONAMA 258-99 Resolução 26/08/99 I - a partir de 01/01/2002: para cada quatro pneus novos fabricados no País ou pneus importados, inclusive aqueles que acompanham os veículos importados, as empresas fabricantes e as importadoras deverão dar destinação final a um pneu inservível; II - a partir de 01/01/2003: para cada dois pneus novos fabricados no País ou pneus importados, ..., as empresas fabricantes e as importadoras deverão dar destinação final a um pneu inservível.

CONAMA 258-99 Resolução 26/08/99 III - a partir de 01/01/2004: para cada um pneu novo fabricado no País ou pneu novo importado, ..., as empresas fabricantes e as importadoras deverão dar destinação final a um pneu inservível; para cada quatro pneus reformados importados, de qualquer tipo, as empresas importadoras deverão dar destinação final a cinco pneus inservíveis; IV - a partir de 01/01/2005: para cada quatro pneus novos fabricados no País ou pneus novos importados, ..., as empresas fabricantes e as importadoras deverão dar destinação final a cinco pneus inservíveis; para cada três pneus reformados importados, de qualquer tipo, as empresas importadoras deverão dar destinação final a quatro pneus inservíveis.

Tipos de Uso da Borracha de Pneu em Revestimentos Asfálticos Processo úmido: incorporação ao CAP como um polímero modificador das características. Processo seco: incorporação à mistura asfáltica como substituição de parte do agregado.

Requisitos da Borracha Moída de Pneu para Processo Úmido Peneira % Passante BMP Tipo 1 BMP Tipo 2 # 8 (2,36 mm) 100 --- # 10 (2,00 mm) 95 – 100 # 16 (1,80 mm) 40 – 60 70 – 100 # 30 (600 mm) 0 – 20 25 – 60 # 50 (300 mm) 0 – 10 # 100 (150 mm) 0 – 4 # 200 (75 mm) 0 – 5

Borracha Moída de Pneu COMPOSIÇÃO TÍPICA (ASTM D 297 – Termogravimetria) Cinzas – 8 % máx Negro de fumo – 28 a 38% SBR – 42 a 65% Borracha natural – 22 a 39% Solúveis em acetona – 6 a 16%

Incorporação de Borracha Moída de Pneu Pneus usados transformam-se... Sacos de borracha moída Borracha é misturada com o betume Silos dos agregados Agregados aquecidos no tambor/secador BMP é misturado com os agregados A mistura betuminosa com BMB é colocada em silos Os caminhões são carregados e levados para a obra 2 3 1 4 5 6 7 8 PROCESSO ÚMIDO

Exemplo de Amostra de Asfalto Borracha

Exemplo de Amostra de Asfalto Borracha CAP 50/70

Especificação de asfalto borracha Proposta: Comissão de Asfalto do IBP (2007)

Especificação asfalto borracha (DER/PR ES- 28/05)

Usina Móvel de Preparação de AMB Arizona - USA Controle de qualidade em campo pelo viscosímetro

Incorporação da Borracha de Pneu ESTOCÁVEL Alta temperatura; Agitação em alto cisalhamento; Despolimerização; Desvulcanização; Reação da borracha desvulcanizada e despolimerizada com moléculas do CAP; Menor viscosidade; Borracha com menor tamanho de partícula. NÃO ESTOCÁVEL Inchamento superficial da borracha nos maltenos do CAP; Borracha com maior tamanho de partícula; Rápida incorporação para evitar redução de viscosidade; Não ocorre despolimerização nem desvulcanização; Agitação em baixo cisalhamento.

Exemplo de usina de CA com caminhão tanque de asfalto borracha estocável alimentando a fabricação da mistura

Máquina de produção de asfalto borracha não estocável (Brasil)

Requisitos Físicos do Asfalto Borracha ASTM D 6114 - Não Estocável PROPRIEDADES TIPOS – EM FUNÇÃO DO CLIMA 1 - QUENTE 2 - MODERADO 3 - FRIO Visc. Rotacional a 117°C, Pa.s 1,5 – 4 Penetração a 4°C, 200g, 60 s, dmm 10 mín. 15 mín. 25 mín. Ponto de Amolecimento, °C 58 mín. 54 mín. 51 mín. Resiliência a 25°C, % 30 mín.

Ensaios de asfalto borracha: Torção

Ensaios de asfalto borracha: Resiliência

Asfalto Modificado por Borracha Retarda Reflexão de Trinca Exemplo Segmento 8 – AMB Segmento 7 – PG 76-10 Asfalto Convencional Foto: Leite, 2002

Aplicações de Asfaltos Borracha Concreto asfáltico denso; Membranas absorvedoras de tensão (SAM); Camada intermediária anti-reflexão de trincas (SAMI); Concreto asfáltico descontínuo (Gap Graded); Camada porosa de atrito (Aberto); Camada Selante (Cape Seal); Tratamento superficial.

Asfaltos Modificados por Polímeros ou borracha São fluidos pseudoplásticos acima de 100ºC. A estimativa de viscosidade a diferentes temperaturas por extrapolação não é válida. A viscosidade não pode ser determinada através de viscosímetros capilares ou Saybolt Furol. Deve ser determinada em viscosímetros dinâmicos com registro da taxa de cisalhamento e geometria adequada da haste. SUPERPAVE está estudando medidas mais adequadas para medir a viscosidade a alta temperatura para asfaltos polímeros e asfalto borracha. Dificuldade de estabelecer temperaturas de misturação e compactação.

Asfaltos Modificados por Produtos Naturais Produtos: gilsonita, asfaltita, asfalto natural de Trinidad: Melhoram a susceptibilidade térmica e a resistência à formação de trilhas de roda, sem prejudicar a resistência à fadiga; Uso na Europa, EUA, Argentina; No Brasil existe uma experiência em Brasília com asfaltita (Liberatori, 2000), entre outros testes.

Ensaios de Desempenho Ligantes modificados Observam-se muitas alterações em relação aos CAP tradicionais; Nas misturas asfálticas: Além do próprio ligante, existem outras variáveis que influenciam no desempenho e devem ser consideradas: granulometria e natureza dos agregados, dosagem de ligante e volume de vazios. Análise de desempenho: Melhorias do desempenho propiciadas por ligantes modificados devem ser analisadas para cada caso e em que condições de projeto.

Asfaltos mais Adequados às Condições Brasileiras Resistência à fadiga: asfaltos modificados por SBS, SBR, BMP e EVA. Resistência à deformação permanente: asfaltos modificados por SBS, BMP, PE e EVA ou CAP 40. Em CBUQ a seleção do tipo e teor de polímero a ser empregado no asfalto modificado pode ser efetuada a partir do critério SUPERPAVE. Em revestimentos drenantes, é necessário o uso de asfaltos modificados. Em microrrevestimentos: SBR ou SBS, ou mistura de EVA com PIB, na ordem de 3 a 4%, Através da seleção do valor do módulo de resiliência e/ou resistência à tração adequados àquele tipo de serviço (função do projeto), a partir de banco de dados.

Asfaltos mais Adequados às Condições Brasileiras Escolha do teor e tipo de polímero depende do clima, tráfego e tipo de serviço desejado. SUPERPAVE trouxe vantagens na avaliação do asfalto modificado, permitindo medidas de ângulo de fase e correlações com desempenho em misturas modificadas.

Observações Finais O pavimento é uma estrutura complexa, que requer dimensionamento adequado, controle da usinagem e da aplicação do revestimento betuminoso, e ainda controle de cargas durante o serviço, sendo o asfalto modificado por polímero apenas um dos materiais que podem ser empregados no revestimento superficial, que não é o único responsável pelo desempenho.