A classificação SUPERPAVE de Ligantes Asfálticos

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Figura 1 – Classificação Superpave. Fonte: http://www.eng.auburn.edu/

Nos últimos artigos nós discutimos sobre o processo de destilação do petróleo, sobre as frações do asfalto e sobre a classificação com base na penetração e na viscosidade. No Brasil o método de classificação por penetração ainda é o mais utilizado, contudo nos EUA e em outros países o asfalto é classificado com base nas temperaturas máximas e mínimas  que eles estão submetidos – a classificação por desempenho.

Em 1987 foi criada a Strategic Highway Research Program (SHRP) com um plano de estudos de 5 anos e uma verba de R$ 150 milhões. O objetivo da pesquisa da SHRP era o de melhorar o desempenho, durabilidade e a segurança das estradas nos Estados Unidos da América. Um dos principais resultados dessa pesquisa é o nosso tema de discussão de hoje, o método de avaliação dos ligantes para pavimentação por desempenho – chamada de Superior Performance Pavement (Superpave).

O método Superpave avalia as propriedades reológicas dos ligantes asfálticos e para isso alguns ensaios são necessários. Os ensaios utilizados nessa classificação são:

  • Reômetro de Cisalhamento dinâmico – DSR
  • Viscosímetro Rotacional – RV
  • Reômetro de fluência em viga – BBR
  • Prensa de tração direta – DDT
  • Estufa de Película delgada rotacional – RTFOT
  • Vaso de Pressão de Envelhecimento – PAV

Dinamic Shear Rheometer (DSR)

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Figura 2 – Reômetro de Cisalhamento Dinâmico (DSR). Fonte: https://www.anton-paar.com/

O reômetro de cisalhamento dinâmico – Dinamic Shear Rheometer (DSR) – não é um equipamento criado especialmente para uso de pavimentação, outros materiais são ensaiados nesse mesmo equipamento e por conta disso existem algumas limitações. O ensaio no reômetro de cisalhamento dinâmico é utilizado para caracterizar as propriedades viscoelásticas do ligante asfáltico. Neste ensaio uma pequena quantidade de ligante é submetido a tensões de cisalhamento oscilatórias, e e com isso é obtido o módulo complexo de cisalhamento (G*) e o ângulo de fase.

O ensaio pode ser realizado em tensão controlada, aplicando um torque fixo para obter uma deformação cisalhante, ou por deformação controlada, com aplicação de torque variável para obter uma deformação cisalhante. A frequência utilizada é de 10 radianos por segundo ou 1,59 Hertz. A Figura 3 ilustra os gráficos de tensão (ou deformação) em função do tempo.

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Figura 3 – Bernucci et al, 2008.

O intervalo entre a aplicação da tensão cisalhante e a deformação cisalhante sofrida é chamado de ângulo de fase. Quando um material possui um comportamento puramente elástico o ângulo de fase é igual a 0°, e quando apresenta um comportamento puramente viscoso o ângulo de fase é igual a 90°. O asfalto, por apresentar um comportamento viscoelástico, possui ângulo de fase dentro do intervalo 0° e 90°. O módulo complexo de cisalhamento fica definido pela Equação 1, e o ângulo de fase pela Equação 2.

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Equação 1 – Módulo Complexo de Cisalhamento.
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Equação 2 – Ângulo de fase

Esses dois parâmetros são utilizados na metodologia Superpave para avaliar a deformação permanente e a resistência a fadiga das misturas asfálticas.

  • A deformação permanente é avaliada em temperaturas altas (maiores que 46°C) através do quociente do módulo complexo de cisalhamento e do seno do ângulo de fase.
  • Por outro lado, a resistência a fadiga é avaliada em temperaturas intermediárias (7° a 34°C) através do produto do módulo complexo de cisalhamento e do seno do ângulo de fase.

Amostras não envelhecidas devem apresentar valores do parâmetro de avaliação da deformação permanente maiores ou iguais a 1kPa. Após o envelhecimento, esse mesmo parâmetro, devido ao enrijecimento do ligante, deve ser maior ou igual a 2,2kPa. Já o parâmetro de avaliação da fadiga, deve ser menor ou igual a 5000kPa para baixo volume de tráfego e menor ou igual a 6000kPa para alto volume de tráfego.

Bending Beam Rheometer (BBR)

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Figura 4: Reômetro de fluência em viga (BBR). Fonte: https://www.solotest.com.br

O reômetro de fluência em viga – Bending Beam Rheometer (BBR) – é utilizado para caracterização da rigidez do ligante em temperaturas baixas, sendo possível calcular a rigidez estática (S), que é a relação entre tensão e deformação, e o módulo de relaxação (m), que é o coeficiente angular em 60 segundos do gráfico tensão-deformação. O ensaio consiste na aplicação de um carregamento estático – chamado de creep – em uma vigota de ligante em temperatura variando de -36°C a 0°C.

Os valores da rigidez e do módulo de relaxação são limitados em função do clima e do local do projeto. Ligantes com baixa rigidez estática apresentam tendência menor ao trincamento em clima frio. Da mesma forma, altos valores de módulo de relaxação são mais eficientes para dissipar tensões formadas durante a contração do ligante asfáltico. A Figura 5 ilustra a aplicação da carga, e os gráficos carga-tempo e deflexão-tempo.

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Figura 5 – Gráficos do BBR. Fonte: Rowe et al (2000)

Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT)

Para simular o efeito de envelhecimento são utilizados ensaios de estufa de filme fino (ou película delgada). Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) foi proposto por Hveem et al (1963) e mede o envelhecimento por oxidação e evaporação da película de asfalto dentro de um recipiente de vidro. Este ensaio é mais severo do que o TFOT pois ocorre uma rotação da película de asfalto, ou seja, sempre uma nova porção do ligante é  submetida ao efeito do ar.

O ensaio RTFOT está descrito na ASTM D 2872 substituindo o ensaio TFOT na classificação dos ligantes asfálticos. A amostra do ligante é submetida a uma temperatura de 163°C por 85 minutos e com injeção de ar a cada 3 a 4 segundos. Após o ensaio é medido a perda de massa do ligante asfáltico e avaliado o envelhecimento pela relação entre propriedades medidas antes e após o efeito da temperatura e ar. O ensaio está ilustrado na Figura 6.

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Figura 6 – Estuda para Ensaio RTFOT. Fonte da Figura: https://www.aimil.com/

O vídeo abaixo apresenta como é o funcionamento da estufa utilizada neste ensaio e também como ele fica submetido aos jatos de ar.

Pressure Aging Vessel (PAV)

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Figura 7 – Pressure Aging Vessel (PAV). Fonte: https://pavementinteractive.org/

O vaso de envelhecimento sob pressão – Pressure Aging Vessel (PAV) – é um ensaio para simular o envelhecimento do ligante asfáltico em serviço. Após passar pelo envelhecimento, a amostra é levada e testada no DSR, BBR e DTT para o estudo do envelhecimento de longo prazo. Antes, as amostras são submetidas no envelhecimento de curto prazo (RTFOT) e depois longo prazo (PAV).

Nesse ensaio, as amostras são colocadas em placas de aço e envelhecimento por 20 horas a 2,1 MPa de pressão de ar. A temperatura utilizada no envelhecimento é função do tipo de CAP utilizado.

Direct Tension Test (DTT)

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Figura 8 – Direct Tension Test. Fonte: https://www.pavementinteractive.org/

Ao realizar o ensaio de rigidez pelo reômetro de fluência de viga (BBR), alguns ligantes modificados podem ter um rigidez superior a aquela desejada. Entretanto, embora uma rigidez maior, eles podem não apresentar tendência de trincar na contração devido a sua capacidade de deformação à baixas temperaturas. Dessa forma, a especificação Superpave permite sua utilização desde que se comprove através do ensaio de tração direta – Direct Tension Test (DTT) – que ele possui ductilidade suficiente.

A tensão de ruptura é obtida no DTT através do estiramento da amostra em baixa temperatura (6°C a -36°C)

Classificação Superpave de Ligantes Asfálticos

A classificação Superpave tem como objetivo avaliar o ligante em diferentes faixas de temperatura, dependendo da temperatura em que este estará submetido em campo. Dessa forma, o ligante deve ser ensaiado em temperaturas que cubram todo o processo de mistura, aplicação, compactação e serviço.

Os ligantes asfálticos pelo método Superpave são classificados em graus de temperaturas máximas e mínimas, através da classificação por desempenho – Performance Grade (PG). A Figura 9 ilustra um exemplo de classificação, onde 64 é temperatura máxima medida em 7 dias consecutivos e -22 é a temperatura mínima do pavimento.

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Figura 9 – Performance Grade. Fonte: http://southbitumen.ir/

Os ligantes são classificados em faixas de temperaturas fariando de 6°C em 6°C, tanto para a temperatura máxima como para a mínima. A Figura 10 ilustra todos as classificações possíveis para o ligante por PG. Na Figura 10, a cor verde refere-se a ligantes sem modificação, amarelo ligantes de alta qualidade sem modificação e a cor rosa refere-se a ligantes modificados.

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Figura 10 – Classificação por PG. Fonte: Roberts et al (2006)

Além da medição em campo da temperatura, pode-se utilizar de equações para determinação da temperatura do pavimento, sendo a temperatura medida a 20mm de profundidade em relação ao revestimento. O Instituto do Asfalto (2001) propõe a Equação 3 para temperatura máxima e Equação 4 para temperatura mínima. Nessas expressões, Tmax (ou Tmin) refere-se a temperatura do ar, Lat é a latitude do local de análise, H é a profundidade de análise, Z é a confiabilidade (2,055 para 98%) e Sigma é o desvio padrão.

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Equação 3 – Temperatura máxima do pavimento a 20mm.
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Equação 4 – Temperatura mínima do pavimento.

Embora nos Estados Unidos, local onde as pesquisas foram realizadas, o pavimento não fique submetido a temperaturas de 76 e 82°C em serviço, a classificação foi criada devido carregamentos de baixa velocidade ou estacionários. Locais em que a velocidade é inferior a 8km/h ou a carga é estacionária (como por exemplo em estacionamentos de veículos) a SHRP recomenda elevar o grau do PG em 6 ou 12°C. Dessa forma, um pavimento classificado como PG 64-22, por exemplo, poderia precisar de um PG70-22 ou PG76-22 dependendo do carregamento.

Evolução da Metodologia Superpave

Como a classificação Superpave foi criada nos EUA na década de 90, ela já passou por algumas evoluções nesses quase 30 anos. Dessa forma, hoje dois novos ensaios são utilizados para avaliação dos ligantes. Esses ensaios são descritos abaixo.

Multiple Stress Creep Recovery (MSCR)

Este ensaio é realizado nas amostras de ligante envelhecidas no RTFOT e aplicando 2 níveis de tensões, 0,1kPa e 3,2kPa. A tensão de 0,1kPa caracteriza o comportamento do ligante na zona viscoelástica linear de deformação, e a tensão de 3,2kPa para a zona viscoelástica não linear. Além disso, o ensaio é realizado com aplicação de 1 segundo de carregamento e 9 segundos de recuperação, resultando no gráfico da Figura 11.

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Figura 11 – Ensaio MSCR. Fonte: FHWA (2011)

Através deste ensaio é obtida a compilância não recuperável (Jnr), utilizada na classificação por PG, o qual é o quociente entre a deformação não recuperável e a tensão aplicada. O valor de Jnr é utilizado para incluir uma letra na classificação PG que é referente ao número N de projeto, conforme Figura 12.

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Figura 12 – Nível de tráfego.

Dessa forma, um ligante PG70-22 para tráfego “Standard” seria identificado como PG70S-22. Vale a observação de que o número N mencionado é o obtido através dos fatores de carga da AASHTO, os quais são diferentes dos utilizados no Brasil (USACE).

Linear Amplitude Sweep (LAS)

Este ensaio consiste em um ensaio de fadiga acelerado realizado no reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) e pode ser feito em amostras envelhecidas a curto e longo prazo. O ensaio é dividido em 2 etapas:

Na primeira etapa é realizada uma varredura de frequência entre 0,1 e 30 hertz, o qual é utilizado para determinar as propriedades reológicas na região viscoelástica linear através de uma deformação de 0,1%.

A segunda etapa ocorre em deformações de 0,1% a 30% e em frequência fixa de 10 hertz. O ensaio é então seguido em ciclos de 10 segundos em deformação constante, sendo que a cada intervalo  a amplitude de deformação é maior. Dessa forma, obtem-se o gráfico da Figura 13.

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Figura 13 – LAS. Fonte: AASHTO.

A norma da ASTM D 6373 (2016) fornece um procedimento bem didático para avaliar o ligante asfáltico. 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.

American Society for Testing and Materials. ASTM D 6373 – Standard Specification for Performance Graded Asphalt Binder.

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