Fracionando o Asfalto – Por que ocorre a oxidação do ligante

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Figura 1 – Mistura Asfáltica. Fonte da Figura: MPI Asfaltos

O asfalto é o principal material utilizado para o revestimento de estradas no Brasil, como mencionado anteriormente no artigo sobre o processo de refino do petróleo. O material asfáltico é um ligante betuminoso termoviscoplástico com características também impermeáveis e pouco reativo.

Entretando, segundo Bernucci et al (2008) o comportamento termoviscoelástico é utilizado como uma aproximação suficiente do comportamento dos materiais termoviscoplásticos como o asfalto. A característica de termoviscoelasticidade está presente no comportamento mecânico do material, sendo dessa forma suscetível a velocidade, ao tempo e a intensidade do carregamento.

Em temperatura ambiente, o asfalto apresenta um comportamento viscoelástico mas em outras condições podem apresentar comportamento elástico ou viscoso. Por exemplo:

  • Baixas temperaturas ou alta frequência de carregamento o asfalto comporta-se como um sólido elástico.
  • Altas temperaturas ou baixas frequências de carregamento comporta-se como um fluido viscoso.

O material asfáltico requer aquecimento para ser misturado e compactado, pois ao ser aquecido o asfalto diminui sua viscosidade e permite o cobrimento dos agregados pelo CAP – Cimento Asfáltico de Petróleo.

Do que é feito o Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) ?

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Figura 2 – Cimento Asfáltico de Petróleo. Fonte da Figura: http://www.nta-asfaltos.com.br/c

Segundo Bernucci et al (2008) existem perto de 1500 tipos de petróleo no mundo embora poucos sejam adequados para a pavimentação. Isso ocorre por que cada petróleo apresenta uma composição química diferente, como o asfalto é resultado de um processo de destilação do petróleo, esse também terá composições diferentes dependendo da origem.

O CAP – Cimento Asfáltico de Petróleo – é constituído de:

  • 90 a 95% de Hidrocarbonetos
  • 5 a 10% Heteroatomos (Oxigênio, Enxofre, Nitrogênio e metais)

Essa composição química tem total influência sobre os parâmetros mecânicos que a mistura asfáltica apresentará quando executada. Além disso, a composição química influencia quando deseja-se incorporar modificadores de asfalto como os polímeros. A composição do asfalto precisa ter afinidade com a dos polímeros utilizados para que ocorra a homogeneização.

Mas então, como fracionar a composição do asfalto?

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Figura 3 – Asfalto. Fonte da Figura: Wikipedia.org

Já que a composição do asfalto é diretamente influenciada pela fonte (petróleo), então é necessário identificar e fracionar os componentes do asfalto. Segundo Bernucci et al (2008) a norma ASTM D 4124-01 separa o asfalto nas seguintes frações:

  • Saturados
  • Nafteno Aromáticos
  • Polar Aromáticos
  • Asfaltenos

A Figura 4 ilustra o processo de separação pelo método descrito na ASTM 4124-01.

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Figura 4 – Processo ASTM 4124-01. Fonte: Bernucci et al (2008)

Por outro lado, na Europa é utilizado um método similar de fracionamento conhecido como SARA, onde cada letra representa uma fração do asfalto. Nesse método são conhecidas as seguints frações:

  • Saturados
  • Aromáticos
  • Resinas
  • Asfaltenos

A Figura 5 ilustra o fracionamento do asfalto através do método SARA.

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Figura 5 – Método SARA. Fonte da Figura: Speich (2016)

Segundo Bernucci et al (2008) podemos definir os asfaltenos como sendo aglomerados de compostos polares e polarizáveis formados por associações intermoleculares e constituídos de hidrocarbonetos naftênicos condensados e em cadeias saturadas curtas, não solúveis no n-heptano. Além disso, os asfaltenos são sólidos amorfos que apresentam cor preta ou marrom. Quanto maior for a quantidade de asfaltenos no CAP mais duro e viscoso será o ligante asfáltico, sendo que geralmente esses estão distribuídos em uma proporção de 5 a 25% do CAP. A Figura 6 ilustra a representação dos Asfaltenos.

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Figura  6 – Representação dos asfaltenos. Fonte da Figura: Bernucci et al (2008)

As resinas são compostos solúveis em n-heptano e constituído de hidrogênio e carbono, com pequena proporção de oxigênio, enxofre e nitrogênio. As resinas são sólidos também de coloração escura (marrom escuro), com natureza polar e fortemente adesiva. A Figura 7 ilustra a representação das Resinas.

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Figura 7 – Representação das Resinas. Fonte da Figura: Bernucci et al (2008)

Os aromáticos são os que apresentam maior proporção no asfalto, constituindo cerca de 40 a 65% do cimento asfáltico de petróleo (CAP). Estes formam um liquido viscoso amarelado polar e cadeias não saturadas de carbono. A Figura 8 ilustra a representação dos aromáticos.

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Figura 8 – Representação dos aromáticos. Fonte da Figura: Bernucci et al (2008)

Por fim, os saturados são formados por cadeias retas e ramificadas de hidrocarbonetos. São óleos viscosos não polares transparentes e constituem de 5 a 20% do CAP. A Figura 9 ilustra a representação dos saturados.

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Figura 9 – Representação dos Saturados. Fonte da Figura: Bernucci et al (2008)

De forma mais simplificada, o CAP pode ser separada em duas frações sendo uma constituída dos insolúveis em n-heptano, chamada de Asfaltenos, e outra dos solúveis, chamada de Malteno. Ou seja, o Malteno engloba os óleos saturados, aromáticos e as resinas.

A composição química do CAP pode sofrer variação?

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Figura 10 – Camada Asfáltica. Fonte da Figura: https://mogimirim.portaldacidade.com/

A resposta é sim. Com o tempo, devido a oxidação, a composição do CAP sofre variação e consequentemente seus parâmetros mecânicos também. Segundo Bernucci et al (2008) o conteúdo de Asfaltenos aumenta com o passar do tempo, resultado da oxidação dos maltenos. Nos maltenos, a quantidade de resinas é praticamente mantida, os saturados sofrem pouca variação e os aromáticos diminuem.

Segundo Balbo (2007) como os asfaltenos são responsáveis pela rigidez, o aumento de asfaltenos resulta no aumento do módulo de elasticidade da mistura asfáltica.

Como ocorre a oxidação do Material Asfáltico?

A oxidação ocorre pois os hidrocarbonetos são suscetíveis a alterações químicas, as quais ocorrem em decorrência da radiação solar, da chuva ácida e etc. Além dos efeitos naturais, alguns outros fatores podem levar a oxidação dos materiais asfálticos, dentre eles destaca-se os lubrificantes de veículos. O vídeo abaixo, por exemplo, mostra como é o comportamento do asfalto em um dia quente (aproxidamente 40°C) em contato com óleo lubrificante de veículos.

O envelhecimento por oxidação de curta duração, causado pelo aquecimento para usinagem e compactação, pode ser medida através de ensaios de laboratório como o TFOT – Thin Film Oven Test – ou RTFOT – Rolling Thin Film Oven Test. A oxidação de longa duração, causado pela reação com o oxigênio e radiação durante a vida de serviço do pavimento, pode ser medido pelo ensaio PAV – Pressure Aging Vessel.

Esses ensaios serão detalhados num artigo futuro onde falaremos sobre o método Superpave de misturas asfálticas.

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Fontes:

QUINTERO, LCN. “FRACIONAMENTO E ANÁLISE DE ASFALTENOS EXTRAÍDOS DE PETRÓLEOS BRASILEIROS”. UFRJ: Tese de Doutorado. Rio de Janeiro, 2009.

BERNUCCI, L.B; MOTTA, L.M.G; CERATTI, J.A.P; SOARES, J.B. “PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA: Formação básica para Engenheiros”. Rio de Janeiro, 2008.

BALBO, José Tadeu, “PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA: Materiais, projeto e restauração”. São Paulo, 2007.

 

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