Estudo comparativo da capacidade de deformação do asfalto modificado com polímeros SBS e concentrado de pneus

Resumo

A necessidade de manutenção de rodovias aumenta conforme o tráfego aumenta, dessa forma novos pavimentos resistentes e que suportam os diversos usos e intempéries se tornam imprescindíveis. Neste trabalho, comparou-se as viscosidades aparentes dos cimentos asfálticos de petróleo (CAPs) puros com os CAPs modificados com polímero SBS (CAP×SBS) e com pneu e borra de petróleo (CAP×pneu), a fim de entender qual o material asfáltico mais adequado ao uso em pavimentação. Para tanto, os dados de duas publicações distintas foram comparados. Sendo observado que, o CAP×SBS apresentou viscosidade semelhante aos CAPs não modificados, enquanto o CAP×pneu apresentou propriedade de um material pseudoplástico, com melhores propriedades mecânica e resistente à trincas e deformações excessivas.

Palavras chaves

viscosidade; polímero; CAP

Introdução

Asfalto, um material ligante composto por muitos derivados do petróleo, tem como principal componente, o betume, uma mistura de hidrocarbonetos solúveis no bissulfeto de carbono. O asfalto tem por finalidade, ser aplicado em pavimentações, tem cor preta ou marrom e apresenta as características de ser: a) altamente viscoso, tornando-o mais resistente às tensões de cisalhamento; b) impermeável à agua; c) termoviscoplástico e d) não reativo (ANP, 2019; BERNUCCI et al., 2008; PETROBRÁS, 2015). A pavimentação asfáltica é formada por quatro camadas sobre o solo: 1) reforço de subleito - solos depositados, 2) sub-base - cascalho natural, 3) base - agregados rochosos, oriundos de pedreiras e 4) revestimento ou capa de rolamento - composto por uma mistura de agregados e ligantes asfálticos que podem ser a lama asfáltica ou o cimento asfáltico de petróleo (CAP), usinados a quente. Entre as camadas de base e rolamento é aplicada a imprintação ou pintura asfáltica, responsável pela adesão dessas camadas. A imprintação ou a pintura asfáltica pode ser também aplicada entre a sub-base e a base (BERNUCCI et.al., 2008). O asfalto pode ser dividido em: I) cimentos asfálticos de petróleo (CAP), II) asfaltos diluídos, III) emulsões asfálticas e IV) asfaltos modificados. Susceptíveis ao processo de envelhecimento por oxidação lenta, prejudicando suas propriedades, ocasionadas por fadiga do revestimento com formação de rachaduras, precisam ser boa qualidade e aplicabilidade quando possuem: A) consistência e dureza, B) ductilidade, C) termoplasticidade e viscoelasticidade, D) suscetibilidade térmica e E) durabilidade (BERNUCCI et al., 2008; PETROBRAS, 2015). A Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) é o órgão responsável pela regulamentação e especificação dos cimentos asfálticos. No Brasil, o CAP é misturado com polímeros ou copolímeros para torná-lo mais viscoelástico e aumentar a vida útil da pavimentação. Essa mistura aumenta a resistência ao envelhecimento asfáltico por oxidação, além de promover maior resistência às tensões, evitando trincas indesejáveis, perfurações e pouca durabilidade (BERNUCCI et al., 2008). A viscosidade é uma propriedade característica dos materiais que escoam, a fim de equilibrar as forças tangenciais externas quando estão em movimento, indicando a capacidade de escoamento do material. Em geral, os polímeros podem alterar a viscosidade do CAP convencional e melhorar suas propriedades mecânicas (BRUNETTI, 2005; GRAÇA; CARDOSO; CAVALCANTE, 2016; LUCENA, 2003; SPECHT, 2004). O copolímero estireno-butadieno-estireno (SBS) é um elastômero termoplástico, pois em baixas temperaturas tem comportamento elástico e em altas temperaturas tem comportamento de um termoplástico (BRUNETTI, 2005). A borracha de pneu gera um comportamento no CAP de fluido não newtoniano; e segundo Specht (2004), o asfalto borracha apresenta uma resistência maior à trincas excessivas e deformações quando comparado ao asfalto convencional. Percebe-se que esses polímeros trazem benefícios para a deformação permanente, trincas térmicas e de fadiga e ao envelhecimento, ótimas propriedades visto que com o passar dos anos o volume de tráfego em rodovias e a carga sobre elas aumentam, assim como a necessidade de manutenção destas estradas. Um estudo sobre qual o melhor modificador para o asfalto se torna algo indispensável, além de que ao utilizar pneus para a modificação do asfalto trabalha-se quesito sustentabilidade e reutilização de resíduos sólidos (BRUNETTI, 2005; FARIAS, 2019; NEVES, 2004; OVIEDO, 2018). A ampla utilização de veículos gera uma demanda de pneus como resíduos que não se degradam facilmente e nem são descartados de forma regular. O método de adicionar borra oleosa de petróleo e borracha de pneus, na forma de concentrado (masterbatch) como agente modificador de ligante asfáltico, traz um novo destino a esses resíduos de difícil degradação além de promover melhoras significativas na durabilidade de asfaltos (MASSON, 2017). Este estudo teve como objetivo comparar as viscosidades aparentes das misturas asfálticas mediante adição de borracha de pneu inservíveis com borra de petróleo ou estireno-butadieno-estireno (SBS) em função do melhor desempenho, a partir de duas publicações científicas.

Material e métodos

O método dedutivo associado à pesquisa bibliográfica foi utilizado com uma abordagem quali-quantitativa, sendo escolhidos os seguintes artigos científicos como base de dados para serem comparados quanto à viscosidade de misturas asfálticas: 1) “Dosagem de mistura asfáltica com CAP 50/70 modificado com borra de petróleo”, de Graça, Cardoso, Cavalcante (2016) e 2) “Efeito da adição de SBS nas propriedades químicas e reológicas de asfalto oriundo de petróleo brasileiro”, de Lucena, Soares, Soares (2003). Ambos os artigos realizaram a caracterização química e reológica do cimento asfáltico de petróleo (CAP) e avaliaram os efeitos decorrentes da adição da mistura concentrada (masterbatch’s) de borracha de pneus inservíveis com borra de petróleo, e estireno e butadieno (SBS), respectivamente. O quadro 1 apresenta as principais características dos trabalhos utilizados neste estudo comparativo. Sendo que, as especificações CAP 50/70 e 50/60, significam as classificações segundo a consistência medida pela penetração (da agulha) à 25°C, de acordo com as normas estabelecidas no Regulamento Técnico no. 03 da Resolução ANP no. 19, de 11/07/2005 e DNIT no 95, de 01/08/2006. Assim, o CAP 50/70 possui a faixa de penetração entre 50 a 70 mm, bem como o CAP 50/60 tem a penetração na faixa entre 50 a 60 mm. O CAP×SBS foi preparado com a adição de 4,5% de SBS em pó ao CAP 50/60 produzido na Lubnor, a mistura foi realizada sob agitação a 1086 rpm por 3 horas a 175°C, também houve adição de 3% de extrato aromático para facilitar o preparo do CAP modificado. Por sua vez, o CAP×pneu foi composto pela mistura de pneus inservíveis e borra de petróleo, na proporção 85:15 sob agitação a 40 ± 2 rpm e esta mistura foi utilizada para modificar o CAP 50/70, sendo agitados a 40 ± 2 rpm e 170°C por 90 minutos, gerando o CAP×pneu com 20% do modificador.

Resultado e discussão

A figura 1a ilustra a comparação entre os perfis de tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento (taxa de deformação) dos diferentes revestimentos de pavimentação: cimento asfáltico de petróleo 50/70 (CAP 50/70) e 50/60 (CAP 50/60), CAP misturado aos pneus inservíveis e borra de petróleo (CAP×pneu) e CAP misturado com 4,5% do polímero SBS (CAP×SBS). Observa-se que para uma mesma faixa de deformação (taxa de cisalhamento) dos materiais, o CAP 50/60 e o CAP 50/70 aguentaram as menores tensões de cisalhamento, sendo que o CAP 50/60 mostrou-se menos resistente do que o CAP 50/70 e os dois CAPs modificados suportaram maiores tensões de cisalhamento. Porém, nota-se que em menores temperaturas, os asfaltos suportam maiores tensões. O CAP 50/70, foi modificado 20% em massa com borracha e borra de petróleo na proporção 85:15, respectivamente. Esta mistura chamada de CAP×pneu, apresentou o comportamento mais diferenciado quando comparado aos demais CAPs, suportando as maiores tensões de cisalhamento. Na figura 1b, verifica-se que o CAP modificado com polímero SBS (CAP×SBS) teve um comportamento de deformação parecido com os CAPs puros, mantendo uma viscosidade aparente linear e constante em torno de 0,3 Pa.s. O CAP×pneu apresentou um comportamento de um pseudoplástico diferenciado devido ao decréscimo da viscosidade aparente com o aumento da taxa de deformação. Este comportamento de pseudoplástico pode ser explicado pelo alinhamento das moléculas da borracha conforme há o aumento da taxa cisalhante, essas cadeias tendem a se alinhar paralelamente às linhas de corrente, diminuindo a resistência ao escoamento (ALPARSLAN; HAYTA, 2002; GALINDO, 2012; GRAÇA; CARDOSO; CAVALCANTE, 2016; RIBEIRO, 2018). Segundo Specht (2004), os asfaltos-borracha apresentam ótimos comportamentos mecânicos (resistência a fadiga, rachaduras, entre outros) quando comparados a um CAP sem modificação, confirmando que o CAP×pneu é o mais indicado para alterar a qualidade dos CAPs.

Quadro 1- Principais características dos artigos base de dados.

CAP=cimento asfáltico de petróleo; CAP+pneu=CAP modificado com pneus inservíveis e borra oleosa de petróleo; SBS=polímero estireno-butadieno- estireno

Figura 1.

a)Tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento. b)Viscosidade aparente e taxa de cisalhamento.

Conclusões

O CAP 50/70 modificado com pneus (CAP×pneu) apresentou melhor propriedade mecânica do que o CAP 50/60 modificado com SBS (CAP×SBS). Uma vez que, o CAP×SBS teve sua capacidade de deformação muito próxima ao dos CAPs puros e o CAP×pneu se destacou por adicionar propriedades mecânicas. O CAP modificado com a borracha além de mudar seu comportamento quanto à viscosidade, torna-se também uma alternativa sustentável para reutilização de pneus. Apesar da maior viscosidade do CAP×pneu dificultar sua usinagem, porém uma maior taxa cisalhante ou temperatura maior pode resolver esse quesito.

Agradecimentos

Referências

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Regulamento Técnico no. 03. Disponível em: http://legislacao.anp.gov.br/?path=legislacao-anp/resol-anp/2005/julho&item=ranp-19--2005. Acesso em: 10 ago. 2019.

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