Materiais Betuminosos

Prof. Nara Miranda de Oliveira Cangussu

O que são Materiais Betuminosos ?

Os materiais betuminosos são materiais constituídos predominantemente por BETUME.

Os materiais betuminosos são, por definição, misturas de hidrocarbonetos solúveis em bissulfeto de carbono (CS2) com propriedades de aglutinação.

Existem duas grandes categorias de materiais betuminosos: os asfaltos e os alcatrões.

• Betume – é uma mistura de orgânica de hidrocarbonetos pesados, obtidos em estado natural ou por diferentes processos físicos ou químicos com seus derivados, de consistência variável e com poder aglutinante e impermeabilizante, sendo completamente solúvel no bissulfeto de carbono (CS2).

Principais utilizações: Aplicações rodoviárias,

indústria de impermeabilizantes,

tintas, etc.

• Asfalto – material aglutinante de consistência variável, de cor preta a castanho escuro, o qual se liquefaz gradualmente quando aquecido, e cujo elemento predominante é o betume, podendo ocorrer na natureza ou ser obtido pela refinação do petróleo.

• Alcatrão – material obtido quando matérias orgânicas naturais, tais como madeira e hulha, são carbonizadas ou destiladas destrutivamente na ausência de ar. À temperatura ambiente, são líquidos oleosos de grande viscosidade. O alcatrão, porém, encontra-se em desuso, devido ao seu poder cancerígeno, e não será objeto de estudo.

Asfalto

A palavra "asfalto" se originou do antigo acádico "asphaltu" ou "sphallo" que significa esparramar. Posteriormente, devido a sua utilização como material aglutinante, passou a significar firme, estável, seguro.

De um passado distante até o presente, o asfalto tem sido usado como um cimento para colar, revestir e impermeabilizar.

É, na verdade, um dos mais versáteis produtos da natureza. O asfalto é um dos mais antigos materiais da natureza, sendo usado desde os primórdios da civilização.

O asfalto pode ser natural (sigla AN) ou obtido da destilação do petróleo (sigla AP):

• Asfalto Natural (AN): o petróleo surge na superfície da terra e sofre uma espécie de destilação natural pela ação do vento e do sol, que retiram os gases e óleos leves, deixando um resíduo muito duro que é o asfalto natural.

A ocorrência mais famosa de asfalto natural localiza-se na ilha de Trindade, no Caribe, e que até início do século XX abasteceu todo o mercado

americano de ligantes asfálticos

usados em pavimentação.

• Asfalto de Petróleo (AP): obtido como resíduo da destilação do petróleo, bem mais abundante e barato. Nas torres de destilação, a parcela mais pesada do petróleo produz nafta (derivados da gasolina), querosene e diesel.

O petróleo cru é aquecido sob pressão a elevadas temperaturas, sendo utilizada uma torre de destilação para a separação das diferentes frações que destilam nas seguintes temperaturas aproximadas:

- gasolina...................................... 37 a 204ºC - querosene................................... 177 a 302 ºC - óleo diesel.................................. 218 a 371 ºC - óleos lubrificantes......................acima de 343 ºC

Dependendo do processo de destilação ou refino, por exemplo,

o asfalto pode apresentar diferenças marcantes de comportamento.

As funções exercidas pelo asfalto na pavimentação são: aglutinadora e impermeabilizadora. • Aglutinante: proporciona uma íntima ligação entre agregados, capaz de resistir a ação mecânica das cargas dos veículos. • Impermeabilizante : proporciona vedação eficaz contra a penetração da água de chuva às camadas estruturais do pavimento. Também proporciona ao asfalto característica de flexibilidade. A baixa reatividade química a muito agentes não evita que esse material possa sofrer, no entanto, um processo de envelhecimento por oxidação lenta pelo contato com o ar e a água.

Composição Química

O asfalto tem composições químicas muito complexas e que dependem dos processos de fabricação, bem como da matéria- prima utilizada. Simplistamente, os asfaltos podem ser considerados como uma dispersão coloidal de partículas de asfaltenos em um meio oleoso denominados maltenos, formando a dispersão coloidal, como ilustrado no modelo de micelas de Yen.

Processos de fracionamento mais simples separam as frações dos asfaltos em asfaltenos e maltenos.

• Asfaltenos : são caracterizados sob a forma de sólido duro e quebradiço, na temperatura ambiente (25ºC). Portanto, a porcentagem de ocorrência de asfaltenos está associada à consistência dos asfaltos.

• Maltenos: podem ainda ser separados em outras frações (óleos aromáticos, óleos saturados).

Essa estrutura governa o comportamento reológico do asfalto.

Propriedades Físicas

Asfalto pode ser classificado por sua composição química e propriedades físicas. A indústria de pavimentação, tipicamente, baseia nas propriedades físicas para a caracterização da performance. Algumas propriedades físicas do agregado são um resultado direto de sua composição química. Tipicamente, as mais importantes propriedades físicas são:

• Durabilidade: é a medida de como as propriedades físicas da camada de asfalto mudam com o tempo. Em geral, quando a pasta de asfalto envelhece, sua viscosidade aumenta e se torna mais rígidos e quebradiços.

• Termoviscoplasticidade: a capacidade de termoviscoplasticidade desse material manifesta-se no comportamento mecânico, sendo suscetível a velocidade, ao tempo, a intensidade de carregamento, e a temperatura de serviço.

• Pureza: cimento asfáltico, como o usado em pavimentação de concreto asfáltico, deve consistir praticamente em betume puro. Impurezas não são constituintes de cimentação ativa e pode ser prejudicial à performance do asfalto.

• Segurança: o cimento asfáltico, como a maioria dos outros materiais, volatiliza (se transforma em vapor) quando aquecido. Em temperaturas extremamente elevadas (bem acima daquelas usadas na fabricação e construção do concreto asfáltico), o cimento asfáltico pode liberar vapor suficiente para aumentar a concentração volátil imediatamente

acima de um ponto onde ele irá

Inflamar, quando exposto à uma

faísca ou uma chama. Este ponto

é chamado de ponto de fulgor,

que por razões de segurança é

testado e controlado.

Ensaio de Ponto de fulgor

ENSAIOS:

- Dureza: Índice de Penetração – Material a

25ºC/ 5 seg / 100g.

- Ponto de Amolecimento: Variação Temperatura utilização e preparo. Anel com material e Bola de Aço – Aquecimento do Anel = Temperatura do Anel quando a bola atinge a base do anel.

- Viscosidade : Saybolt Furol – Tempo (seg) material passa num orífício padrão.

- Ponto de Fulgor: Inflamação dos vapores da amostra.

Em serviços de pavimentação são empregados os seguintes tipos de materiais betuminosos: cimentos asfálticos, asfaltos diluídos e emulsões asfálticas.

Cimento Asfáltico

O cimento asfáltico é o asfalto obtido especialmente para apresentar características adequadas para o uso na construção de pavimentos.

O cimento asfáltico de petróleo recebe o símbolo CAP e o cimento asfáltico natural o símbolo de CAN.

São semi-sólidos à temperatura ambiente, necessitam de aquecimento para terem consistência apropriada ao envolvimento de agregados, possuem características de flexibilidade, durabilidade, aglutinação, impermeabilização e elevada resistência à ação da maioria dos ácidos, sais e álcalis.

Os cimentos asfálticos de petróleo são classificados pelo seu “grau de dureza” retratado no ensaio de penetração.

A penetração de um CAP é definida como a distância, em décimos de milímetro, que uma agulha padronizada penetra verticalmente em uma amostra de cimento asfáltico, sob condições especificadas de carga, tempo e temperatura.

Por exemplo, se agulha penetrou 5,7mm = 57 (1/10mm), diz-se que o CAP tem uma penetração 57. Quanto menor a penetração, “mais duro”

é o cimento asfáltico.

O Instituto Brasileiro de Petróleo especifica

4 tipos de CAP, pela sua penetração:

CAP 30 - 45, CAP 50 -70,

CAP 85 -100 e CAP 150 - 200.

Amostra de cimento asfáltico

Asfalto Diluído Os asfaltos diluídos são diluições de cimentos asfálticos em solventes derivados do petróleo de volatilidade adequada, quando há necessidade de eliminar o aquecimento do CAP ou utilizar um aquecimento moderado. Os solventes funcionam somente como veículos para utilizar o CAP em serviços de pavimentação. A evaporação total do solvente após a aplicação do asfalto diluído deixa como resíduo o CAP, que desenvolve, então, as propriedades cimentícias necessárias. A essa evaporação dá-se o nome de cura do asfalto diluído.

Os asfaltos diluídos são classificados em 3 tipos, de acordo com o tempo de cura – tempo de evaporação do solvente:

• Asfalto Diluído tipo Cura Rápida – CR: (CAP+ fração leve, gasolina);

• Asfalto Diluído tipo Cura Média – CM: (CAP+ fração média, querosene);

• Asfalto Diluído tipo Cura Lenta – CL: (CAP+ fração pesada, óleo Diesel).

As especificações brasileiras contemplam os asfaltos diluídos de cura média (CM), a partir de suas viscosidades: CM - 30 e CM - 70.

A consistência do cimento asfáltico obtida após a evaporação do solvente é próxima ao do cimento asfáltico originalmente empregado na fabricação do asfalto diluído. As quantidades de cimento asfáltico e de diluentes utilizados na sua fabricação variam com as características dos componentes, sendo, em média, as seguintes:

Os asfaltos diluídos CM - 30 e CM - 70 têm, por exemplo, o mesmo tempo de cura embora tenham viscosidades diferentes na mesma temperatura.

Aplicação do asfalto diluído

Emulsão Asfáltica

A emulsão asfáltica é uma dispersão coloidal de uma fase asfáltica em uma fase aquosa ou vice-versa.

São obtidas combinando com água o asfalto aquecido, em um meio intensamente agitado, na presença dos emulsificantes, que tem o objetivo de dar uma certa estabilidade ao conjunto, de favorecer a dispersão e de revestir os glóbulos de betume

de uma película protetora,

mantendo-os em suspensão.

Amostra de Emulsão Asfáltica

Os emulsificantes ou produtos tensoativos utilizados na fabricação das emulsões são divididos em duas grandes categorias: aniônicos e catiônicos.

• Emulsificantes aniônicos: são sabões onde um ânion orgânico está associado a um álcali, como por exemplo o estearato de sódio. É solúvel no betume, conferindo aos glóbulos de betume na emulsão uma carga elétrica negativa, mantendo-os separados. As emulsões obtidas com esses emulsificantes são denominadas Emulsões Aniônicas. Funcionam melhor em agregados de natureza básica (Calcários, Dolomitas.)

• Emulsificantes catiônicos: são geralmente os sais de amina, conferem aos glóbulos de betume uma carga elétrica positiva, dando origem as Emulsões Catiônicas. Funcionam melhor em agregados de natureza ácida (Granitos, Quartzitos.)

Os emulsificantes são adicionados em pequena quantidade, da ordem de 1,5 % em peso, sobre a emulsão, enquanto que o material betuminoso constitui cerca de 60% do produto. Os asfaltos diluídos e os cimentos asfálticos mais moles são, normalmente, os mais utilizados na fabricação das emulsões, embora os procedimentos mais modernos contemplem também os asfaltos mais duros.

As emulsões catiônicas rompem por reação química entre o emulsificante e o agregado e por evaporação da água.

A esse fenômeno de separação ‘material betuminoso – água’ dá-se o nome de ruptura da emulsão. Nas aniônicas a ruptura se dá, principalmente, por evaporação da água. O sinal de ruptura é dado pela mudança de cor da emulsão, que passa de marrom para a preta. Para garantir o transporte e armazenagem, as emulsões devem ter um mínimo de estabilidade à ruptura, que é garantida pela quantidade e qualidade do emulsificante empregado.

- Quanto à velocidade de ruptura, as emulsões asfálticas se classificam em três tipos:

• Ruptura Rápida – RR

• Ruptura Média – RM

• Ruptura Lenta – RL

As emulsões de ruptura rápida, com uma percentagem relativamente baixa de emulsificante, são indicadas para pinturas de ligação e na construção de revestimentos por penetração. As de ruptura média e ruptura lenta são utilizadas, principalmente, para mistura com agregados graúdos e miúdos, respectivamente. Desempenham papel importante no processo de ruptura o tipo de agregado e o estado de sua superfície seco ou molhado.

As emulsões especiais são fabricadas sem carga elétrica (não iônica). As especificações de serviço fixam as características básicas para emulsões asfálticas catiônicas, aniônicas e especiais. As catiônicas e aniônicas são classificadas pela sua ruptura, viscosidade, teor de solvente e resíduo asfáltico, nos seguintes tipos:

• RR–1C, RR–2C – emulsões asfálticas catiônicas de ruptura rápida • RM–1C, RM–2C – emulsões asfálticas catiônicas de ruptura média • RL–1C – emulsão asfáltica catiônicas ruptura lenta

A letra C é um indicativo de emulsão catiônica e os números 1 e 2 de viscosidades crescentes, respectivamente.

• RR–1, RR–2 – emulsões asfálticas aniônicas de ruptura rápida • RM–1, RM–2 – emulsões asfálticas aniônicas de ruptura média • RL–1 – emulsão asfáltica aniônicas de ruptura lenta

As emulsões especiais utilizadas na fabricação de lama asfáltica recebem o símbolo LA, seguido de uma ou duas indicações, conforme sua ruptura e carga de partícula:

• LA–1, LA–2 – emulsões aniônicas de lama asfáltica

• LA –1C, LA –2C – emulsões catiônicas de lama asfáltica

• LA –E – emulsão especial de lama asfáltica

As emulsões asfálticas são constituídas basicamente de uma fase ligante (60% CAP) e de uma fase aquosa (40%) de acordo com o esquema simplificado a seguir:

Piche e Breu • O piche surge depois de destilado o alcatrão bruto ou pode ser obtido também a partir de asfaltos impróprios para o refino. • São misturas de apenas 11 a 17% de betume, com muita argila, pedrisco, etc. Tem qualidades inferiores aos alcatrões. • É sólido à temperatura ordinária, e, quando funde, o faz desuniformamente, deixando muitos nódulos ou grãos no seu seio. • Os piches podem ser refinados, perdendo quase todo o betume, resultando o breu, sólido à temperatura ordinária, porém de maior dureza.

Mastiques São misturas de materiais betuminosos diversos entre si ou com fíleres diversos (de calcário, granito, carvão, cinzas volantes, fibra de vidro, amianto, plásticos, negro de fumo, etc.) gerando as mais diversas pastas. • Finalidade: alterar propriedades do material. Exemplos:

• Juntando-se alcatrão ao asfalto aumenta aderência; • Juntando-se asfalto ao alcatrão aumenta resistência à temperatura; • Material betuminoso + amianto aumenta resistência mecânica;