Como classificar Ligantes Asfálticos por Penetração e Viscosidade

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Figura 1 – Corpos de Prova de Asfalto. Fonte da Figura: IPR (2017)

O cimento asfáltico de petróleo é um material viscoelástico, ou seja, que pode apresentar propriedades tanto elásticas quanto viscosas. Essa variação no seu comportamento é função da temperatura e do tempo de carregamento no qual está submetido.

No artigo sobre o processo de refino do asfalto, asfalto borracha e outros artigos, vimos que o asfalto precisa de aquecimento até uma determinada temperatura para que ocorra a diminuição da sua viscosidade e permita a usinagem. Ou seja, as propriedades físicas do asfalto são totalmente relacionados com a temperatura.

Segundo Bernucci et al (2008) o modelo estrutural dos ligantes ajuda a entender o efeito da temperatura no asfalto. Se você não conhece o modelo estrutural pode conferir no artigo sobre as frações do asfalto. Dessa forma, em temperaturas baixas as moléculas não conseguem se mover no meio, a viscosidade fica muito elevada e o material tem comportamento de um sólido. Por outro lado, quando a temperatura começa a aumentar as moléculas começam a conseguir se movimentar e, com isso, a viscosidade baixa. Ao atingir uma temperatura elevada, o ligante se comporta como um líquido, conforme Figura 2.

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Figura 2 – Ligante sendo adicionado nos agregados após aquecimento. Fonte da Figura: IPR (2017)

Como o efeito da temperatura depende da capacidade ou não das moléculas polares se moverem no meio não polar, podemos dizer que o comportamento do asfalto quanto a temperatura será influenciada pela proporção dos 4 componentes citados no artigo sobre a composição química do asfalto e o processo de oxidação. Ou seja, da proporção de saturados, aromáticos, resinas e asfaltenos.

Todos os ensaios realizados em ligantes asfálticos têm uma temperatura específica definida nas normas e manuais de pavimentação. Nesse artigo vamos dar ênfase nos ensaios que são utilizados para caracterização dos asfaltos, as quais podem ser:

  • Caracterização por Penetração
  • Caracterização por Viscosidade
  • Caracterização por Desempenho

Ensaio de Ponto de Amolecimento

O ponto de amolecimento é uma medida empírica para determinar a temperatura em que o asfalto amolece e adquire comportamento de um líquido, permitindo o escoamento. Neste ensaio são utilizadas 2 amostras de ligante e colocados dentro de um anel metálico padronizado cada.

Após o resfriamento da amostra, uma esfera metálica é colocada em cima de cada amostra do ligante, sendo que uma esfera possui massa de 3,50g e a outra 3,55g. O equipamento é ilustrado na Figura 3.

 

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Figura 3 – Equipamento para Ponto de Amolecimento. Fonte da Figura: https://www.solotest.com.br/

O bequer é então preenchido com água (ligantes com amolecimento entre 30°C e 80°C) ou Glicerina USP (ligantes com amolecimento de 80°C a 157°C) e aquecido a uma taxa de 5°C por minuto durante um período de 15 minutos. Conforme aumenta a temperatura do líquido, e consequentemente do asfalto, a amostra começa a não suportar mais o peso da esfera padronizada e desloca-se para o fundo do bequer, conforme Figura 4. A temperatura do ponto de amolecimento é a média das temperaturas quando o ligante asfáltico toca o fundo da placa metálica.

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Figura 4 – Ponto de amolecimento do asfalto. Fonte da Figura: Barra et al

Esse ensaio é descrito na NBR 6560/2000 e DNIT 131/2010-ME. A norma DNIT 131/2010-ME estabelece um critério de repetitividade, o qual diz:

“A diferença entre resultados de ensaios sucessivos, obtidos pelo mesmo operador, com a mesma aparelhagem, sob condições constantes de operação e em amostras do mesmo material, só pode ser superior a 2ºC um caso em vinte”

Ensaio de Penetração – O principal ensaio usado para classificar asfaltos no Brasil!

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Figura 5 – Ensaio de Penetração. Fonte da Figura: DNIT 155/2010-ME.

O ensaio de penetração é o principal ensaio utilizado no Brasil para classificar os ligantes asfálticos, e está descrito na DNIT 155/2010-ME. Neste ensaio a penetração é definida como a profundidade, medida em décimos de milímetro, que uma agulha de 100 gramas penetra em uma amostra padronizada durante 5 segundos à temperatura de 25°C. O tamanho da amostra é função da consistência do ligante (penetração esperada), conforme descrito na norma e consta no Quadro 1.

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Quadro 1 – Tamanho da amostra. Fonte: DNIT 155/2010-ME

Embora as condições consideradas como um padrão para realização deste ensaio sejam de  temperatura à 25°C, carga de 100 gramas e tempo de 5 segundos, a DNIT 155/2010-ME também apresenta condições opcionais para estes parâmetros desde que sejam apresentados no relatório final. As condições opcionais indicados na norma estão no Quadro 2.

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Quadro 2 – Condições opcionais para o ensaio. Fonte: DNIT 155/2010-ME

Definindo esses parâmetros, são realizadas 3 determinações individuais. O resultado é então definido como o valor médio das penetrações desde que os valores máximos e mínimos atendam o Quadro 3.

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Quadro 3 – Análise de resultado do ensaio de penetração. Fonte: DNIT 155/2010-ME

Classificação por Penetração

A caracterização por penetração é a mais conhecida e utilizada no Brasil, onde quanto maior a penetração menos consistente é o CAP. Segundo a National Center for Asphalt Technology  (NCAT) a caracterização dos ligantes por penetração foi estabelecida em 1888 e a American Society for testing and Materials adotou o método em 1903. Os asfaltos brasileiros são classificados em:

  • CAP 30-45
  • CAP 50-70
  • CAP 85-100
  • CAP 150-200

O Quadro 4 apresenta as propriedades do ligante em função das classificações do CAP.

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Quadro 4 – Propriedades dos ligantes. Fonte: Bernucci et al (2008)

O ensaio de penetração possui como vantagem a sua execução rápida e de baixo custo. Contudo, é um método empírico e que apresenta algumas desvantagens como:

  • Não mede propriedades fundamentais para fins de Engenharia
  • Não permite estabelecer temperaturas de mistura e compactação

A Viscosidade como parâmetro de consistência

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Figura 6 – Viscosidade do Ligante. Fonte da Figura: Bernucci et al (2008)

A viscosidade é um parâmetro utilizado para medir a consistência do asfalto através de sua resistência ao escoamento. Este parâmetro é ainda definido pela relação entre a tensão de cisalhamento aplicado e a velocidade de deformação. Podemos dividir a viscosidade em:

  • Temperatura de 60°C (Viscosidade Absoluta): A temperatura de 60°C foi escohida para medir a viscosidade absoluta por acreditar que expressa a máxima temperatura de superfície do concreto asfaltico de pavimentos durante o verão nos EUA.
  • Temperatura de 135°C (Viscosidade Cinemática): A temperatura de 135°C foi escolhida como representativa da temperatura de mistura e execução usada na construção de pavimentos. Nessa temperatura o asfalto tem pode fluir e não requer uso de vácuo.

No Brasil o viscosímetro mais utilizado para materiais asfálticos é o Saybolt-Furol, o qual é descrito na ASTM 102-93(2016), ABNT MB 326 e DNER 004/94. Nos EUA e Europa, o viscosímetro mais utilizado é o Brookfield, o qual permite obter a curva viscosidade-temperatura em uma faixa ampla de temperatura com a mesma amostra. Além disso, o viscosímetro Brookfield permite medir as propriedades de consistência relacionada com a estocagem do material asfáltico.

Ensaio com viscosímetro Saybolt Furol

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Figura 7 – Viscosímetro Saybolt-furol. Fonte da Figura: https://www.solotest.com.br/

A medida de viscosidade utilizando o viscosímetro Saybolt-furol é realizada para temperaturas de 121°C, 135°C, 149°C, 163°C, 177°C, 204°C e 232°C. Neste ensaio, a viscosidade é definida como o tempo (em segundos) em que 60 ml de uma amostra flui através do orifício saybolt-furol em determinada temperatura. A unidade é chamada de segundos de saybolt-furol (SSF)

O vídeo abaixo apresenta o processo de execução do ensaio.

Ensaio com viscosímetro Brookfield

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Figura 8 – Viscosímetro Brookfield. Fonte da Figura: https://www.braseq.com.br/

O ensaio de viscosidade utilizando viscosímetro brookfield está descrito na NBR 15184 com o título de “Materiais betuminosos – Determinação da viscosidade em temperaturas elevadas usando um viscosímetro rotacional”. Para definição da viscosidade absoluta, 60°C, pode-se utilizar ainda a NBR 5847. O resultado do ensaio é dado em poise, o qual refere-se a gramas por centímetro por segundo.

No vídeo abaixo, o consultor de materiais asfálticos Edson Andrade apresenta de forma didática a realização do ensaio Brookfield com amostras de asfalto modificado por polímeros.

 Classificação por Viscosidade

A classificação por viscosidade foi estabelecida nos Estados Unidos da América em 1960. Este novo sistema de classificação dos ligantes asfálticos trouxe muitos benefícios e melhorou o desempenho dos pavimentos do país.

Nesta classificação, o ensaio de viscosidade é realizado:

  • Temperatura da viscosidade absoluta (60°C): Considerada como representativa para a superfície dos pavimentos durante o verão.
  • Temperatura de viscosidade cinemática (135°C): Considerada como representativa da mistura e execução.

Dessa forma, os ligantes são classificados em:

  • AC-5
  • AC-10
  • AC-20
  • AC-30
  • AC-40

Nessa classificação, AC significa “Asphalt Cement” e o valor é referência a viscosidade em 100 vezes poise. Por exemplo, um ligante AC-10 é aquele que apresenta viscosidade de 1000 poise ou 100 vezes 10 poise. Além disso, quanto maior a viscosidade, maior a consistência e menor o valor no ensaio de penetração.

Segundo a Raha Bitumen, os ligantes de menor viscosidade (maior penetração) são utilizados em locais de clima gelado e os de maior viscosidade (menor penetração) em locais quentes.

Nessa classificação, além dos ligantes asfálticos novos (AC – Asphalt Cement) esta inclui os asfaltos envelhecidos (AR – Asphalt Residue) no ensaio TFOT – Thin Film Oven Test. Este ensaio está descrito na NBR 14736/2001 e ASTM D 1754, onde a amostra de ligante asfáltico é coloca em um recipiente padronizado e submetido a uma temperatura de 163°C e jatos de ar durante um período de 5 horas. Dessa forma, há uma comparação entre a penetração e a viscosidade dos ligantes antes e após o envelhecimento de curto prazo. A Figura 9 ilustra o equipamento.

Os ligantes envelhecidos são classificados em:

  • AR-10
  • AR-20
  • AR-40
  • AR-80
  • AR-160
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Figura 9 – Estufa para Ensaio TFOT. Fonte da Figura: https://www.lin-tech.ch/

Além destes dois métodos de classificação dos ligantes asfálticos em 1987 foi estabelecido o Strategic Highway Research Program (SHRP) em um congresso dos EUA para desenvolver um novo método de avaliação dos ligantes, conhecido por Superpave – Superior Performance Pavement, que teria como objetivo melhorar o desempenho dos pavimentos.

Esse método será detalhado no próximo artigo. Para não perder o novo artigo, siga nosso blog colocando seu email para ser notificado assim que o artigo estiver disponível. Esse artigo foi útil para você? Então compartilhe com outras pessoas para que o conteúdo também agregue conhecimento para elas. Dúvidas, elogios e sugestões? Deixe nos comentários que elas serão lidas e respondidas!

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Referências:

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.

Pavement Interactive. “Viscosity Grading”. Disponível em: <https://pavementinteractive.org/reference-desk/materials/asphalt/viscosity-grading/&gt; Acesso em: 12 de Fevereiro de 2020.

Raha Bitumen Co. “Viscosity Grade (VG) Bitumen”. Disponível em: <http://rahabitumen.com/viscosity-grade-bitumen/&gt; Acesso em: 12 de Fevereiro de 2020.

National Center for Asphalt Technology. “History of Asphalt Grading Systems”. Disponível em: <http://users.rowan.edu/~mehta/cematerials_files/ptc.15b.pdf&gt; Acesso em: 12 de Fevereiro de 2020.

 

 

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