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Tópicos laboratoriais e/ou exercícios (1.

o Parte)

Hélio Marcos Fernandes Viana

Tema:

Ensaios em ligantes asfálticos (1.o Parte)

Conteúdo da aula

1 Introdução

2 Ensaio de penetração

3 Ensaios de viscosidade

4 Ensaio ponto de amolecimento

5 Ensaio de ductilidade

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1 Introdução 1.1 Variáveis importantes nos ensaios com o CAP (ou cimento asfáltico de petróleo)

Todas as propriedades físicas do CAP estão associadas à sua temperatura; Assim sendo, tem-se que: a) Em temperaturas muito baixas, as moléculas do CAP não têm condições de se mover uma em relação às outras, e a viscosidade do CAP alcança um valor muito elevado; Portanto, nesta situação (de baixa temperatura) o CAP se comporta quase como um sólido; b) A medida que a temperatura do CAP aumenta, algumas moléculas do CAP começam a se mover uma em relação às outras, o que causa diminuição no valor da viscosidade do CAP; c) Em temperaturas altas, o CAP se comporta como um líquido, ou seja, apresenta as seguintes características físicas: - O CAP não apresenta resistência ao cisalhamento; - O CAP é capaz de escoar por tubulações; - O volume do CAP toma forma do recipiente, que o contém; - O CAP é incompressível; e - O CAP apresenta baixo valor de viscosidade. d) O comportamento do CAP é reversível, a partir que a temperatura do CAP diminui; ou seja, a medida que a temperatura do CAP diminui as moléculas do CAP tornam-se imóveis e o valor da viscosidade do CAP aumenta. OBS(s). i) Viscosidade é a resistência que um fluido oferece (ou apresenta) em relação ao movimento; e ii) Sólido é um material com elevada dureza, elevada resistência ao cisalhamento, elevado módulo de elasticidade e incompressível. Todos os ensaios realizados para medir as propriedades dos ligantes asfálticos possuem temperatura especificada por norma. Em alguns ensaios realizados com ligantes asfálticos, além da variável temperatura, são importantes as seguintes variáveis: a) O tempo; e b) A velocidade do carregamento atuante na amostra do ligante asfáltico. 1.2 Principais ensaios realizados com os ligantes asfálticos para fins de pavimentação Para determinar se um ligante asfáltico é adequado para pavimentação, utilizam-se medidas simples das características físicas do ligante asfáltico.

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Embora exista uma diversidade de ensaios realizados com ligantes asfálticos as principais características físicas utilizadas para os projetos são: a) A “dureza” que é medida através de uma agulha padrão no ensaio de penetração; e b) A resistência ao fluxo que é medida através dos ensaios de viscosidade. Os principais ensaios realizados com os ligantes asfálticos são: i) Ensaio de penetração; Padronizado pela NBR 5676 / 98 da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas); ii) Ensaio de viscosidade rotacional ou Brookfield; Padronizado pela NBR 15184 / 2001 e pela NBR 14541 / 2004; iii) Ensaio de viscosidade cinemática; Padronizado pela NBR 14756 / 2001; iv) Ensaio de viscosidade Saybolt - Furol; Padronizado pela NBR 14950 / 2003; v) Ensaio ponto de amolecimento; Padronizado pela NBR 6560 / 2005; vi) Ensaio de ductilidade; Padronizado pela NBR 6293 / 2001; vii) Ensaio ponto de fulgor; Padronizado pela NBR 11341 / 2004; viii) Ensaio de solubilidade ou teor de betume; Padronizado pela NBR 14855 / 2002; ix) Ensaio de massa específica do ligante asfáltico; Padronizado pela NBR 6296 / 2004. x) Ensaio de durabilidade tipo TFOT, ou ensaio da película delgada (ou fina) em estufa, ou ensaio de efeito calor e ar tipo TFOT; Padronizado pela NBR 14736 / 2001; x) Ensaio de durabilidade tipo RTFOT, ou ensaio de efeito calor e ar tipo RTFOT; Padronizado pela NBR 15235 / 2005; e xi) Ensaio de ruptura Fraass; Padronizado pela EN 12593 / 2000 (norma da Comunidade Européia). OBS. Algumas normas internacionais podem ser adquiridas pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), pois a ABNT possui contatos internacionais com outras agências publicadoras de normas.

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2 Ensaio de penetração As classes dos cimentos asfálticos de petróleo (CAP) são definidas com base no ensaio de penetração (em decimílimetro).

OBS(s). a) As classes de CAP variam de CAP 20 até CAP 330; e b) 1 decimilímetro = 1 dmm = 0,1 mm = 10-1 mm. As principais características do ensaio de penetração são: i) No ensaio, uma agulha de peso igual a 100 g penetra em uma amostra de CAP (cimento asfáltico de petróleo) de volume padronizado; ii) A agulha penetra na amostra de CAP durante 5 (cinco) segundos, e a amostra de CAP deve está na temperatura de 25o C; Então, anota-se o valor da penetração da agulha em decimilímetros (dmm), após 5 segundos de penetração da agulha; e iii) A penetração da agulha é repetida 3 (três) vezes para uma mesma amostra de CAP, e o valor final da penetração do ensaio corresponde à média das 3 (três) penetrações realizadas durante o ensaio. O ensaio de penetração é padronizado pela NBR 5676 / 98 da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Quanto maior a consistência do CAP menor será a penetração da agulha. A Figura 2.1 mostra um esquema do ensaio de penetração, e a Figura 2.2 mostra o aparelho de penetração utilizado no ensaio.

OBS(s). a) No ensaio de penetração, as penetrações da agulha devem ser bem sucedidas, ou seja, a diferença entre as penetrações não devem exceder a um limite estabelecido pela norma; e b) Consistência relaciona-se solidez, que é uma palavra relacionada com resistência ao cisalhamento e com módulo de elasticidade do material; Quanto maior a consistência de um material maior sua resistência ao cisalhamento e maior o seu módulo de elasticidade.

Figura 2.1 - Esquema do ensaio de penetração

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Figura 2.2 - Aparelho de penetração utilizado no ensaio de penetração 3 Ensaios de viscosidade 3.1 Introdução A viscosidade é uma medida da resistência que o ligante asfáltico oferece ao movimento; Existem 3 (três) tipos de viscosidade utilizadas no estudo dos ligantes asfálticos, as quais são: a) Viscosidade rotacional ou Brookfield; b) Viscosidade cinemática; e c) Viscosidade Saybolt - Furol. 3.2 Viscosidade rotacional ou Brookfield A viscosidade rotacional é obtida através do viscosímetro Brookfield. OBS. Viscosímetro é um aparelho utilizado para medir a viscosidade de um líquido. A viscosidade rotacional é utilizada nas análises relacionadas com as operações de bombeamento e estocagem dos ligantes asfálticos. Nos Estados Unidos e Europa, a viscosidade rotacional ou Brookfield é a viscosidade mais utilizada no estudo dos ligantes asfálticos.

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As temperaturas de maior interesse nos ensaios de viscosidade rotacional ou brookfield são 135o C, 150o C e 177o C, as quais servem para verificar se o ligante asfáltico está dentro das exigências das especificações. As principais características do ensaio de viscosidade rotacional ou Brookfield são as seguintes: i) No ensaio, uma amostra do ligante asfáltico é depositada em um recipiente de temperatura controlada; ii) Na sequência do ensaio, é inserido dentro do recipiente de temperatura controlada, o qual contém a amostra de ligante asfáltico, um eixo com velocidade de rotação constante; e iii) Com base no valor do torque aplicado no eixo, que gira no interior da amostra de ligante asfáltico, é determinado o valor da viscosidade rotacional. OBS(s). a) A viscosidade rotacional é expressa em centipoise; b) 1000 centipoise = 1000 cP = 10 P = 1 Pa.s; c) 1 Poise = 1 P = 1 g/cm.s = 0,1 Pa.s; d) 1 Pascal = 1 Pa = 1 kN/m2; e e) 1 segundo = 1 s. O ensaio de viscosidade rotacional ou Brookfield é padronizado pela NBR 15184 / 2001 e pela NBR 14541 / 2004. A Figura 3.1 ilustra o esquema de um aparelho de Brookfield, que mede a viscosidade rotacional ou Brookfield; e a Figura 3.2 mostra uma foto do aparelho Brookfield instalado no laboratório.

Figura 3.1 - Esquema de um aparelho de Brookfield, que mede a viscosidade

rotacional ou Brookfield

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Figura 3.2 - Foto do aparelho Brookfield instalado no laboratório 3.3 Ensaio de viscosidade cinemática Uma temperatura muito utilizada na determinação da viscosidade cinemática é 135o C, que é considerada como uma temperatura representativa para mistura do ligante asfáltico com os agregados. As principais características do ensaio de viscosidade cinemática são as seguintes: i) No ensaio, mede-se o tempo em que um dado volume de CAP, em uma determinada temperatura, leva para escoar (ou fluir) por um tubo do viscosímetro; ii) A viscosidade cinemática é obtida multiplicado-se um fator de calibração do viscosímetro pelo tempo, que o volume de CAP leva para escoar do pelo tubo do viscosímetro; e iii) O valor da viscosidade cinemática é dada em centistokes (cSt) ou mm2/s. O ensaio de viscosidade cinemática é padronizado pela NBR 14756 / 2001. OBS(s). a) 1 centistoke = 1 cSt = 1 mm2/s = 10-6 m2/s; b) 1 Stoke = 1 St = 1 cm2/s; e c) 1 segundo = 1 s. A Figura 3.3 mostra a foto de um viscosímetro Cannon - Fenske utilizado no ensaio de viscosidade cinemática.

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Figura 3.3 - Foto de um viscosímetro Cannon - Fenske utilizado no ensaio de

viscosidade cinemática 3.4 Ensaio de viscosidade Saybolt - Furol No Brasil, a viscosidade Saybolt - Furol é a mais utilizada no estudo dos materiais asfálticos. O nome Saybolt - Furol deve-se ao inventor do ensaio, que era chamado Saybolt; e também as letras derivadas das palavras Fuel (combustível), Road (estrada) e Oil (óleo), que dão origem ao nome Furol. A viscosidade Saybolt - Furol é uma viscosidade medida de forma empírica. OBS. Empírica é um adjetivo relacionado ao empirismo, o qual é um método que se baseia unicamente na experiência, e não em princípios racionais como física, matemática e química. A viscosidade Saybolt - Furol é importante, pois é uma viscosidade utilizada: a) Para determinação da temperatura de mistura do CAP com os agregados; b) Para determinação da temperatura de compactação da massa betuminosa ou CAUQ (concreto asfáltico usinado a quente); e c) Para verificar se o ligante asfáltico se encontra dentro das especificações.

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As principais características do ensaio de viscosidade Saybolt - Furol são as seguintes: i) No ensaio, o ligante asfáltico é colocado no tubo de ensaio do aparelho de Saybolt - Furol, sendo que a parte inferior do tubo de ensaio fica tampada; ii) Quando o ligante asfáltico alcança a temperatura de ensaio, então a parte inferior do tubo de ensaio é destampada, e o ligante asfáltico passa por um orifício (ou abertura) igual a 3,15 mm ± 0,02 mm, que está situado na parte inferior do tubo de ensaio; iii) Na sequência, mede-se o tempo, que é contado a partir da abertura da parte inferior do tubo de ensaio, até o asfalto que passa pelo tubo de ensaio encher um frasco de vidro até a marca de 60 ml; OBS. O frasco de vidro utilizado no ensaio, que é preenchido com o ligante asfáltico, fica situando na parte inferior do tubo de ensaio. iv) O resultado do ensaio é uma viscosidade dada em segundos (s) a uma dada temperatura de ensaio. OBS(s). a) O ligante asfáltico no tubo de ensaio do aparelho de Saybolt - Furol é aquecido por meio de um óleo quente contido no interior aparelho de Saybolt - Furol, o qual fica em contato com o tubo de ensaio; e b) No ensaio, considera-se a temperatura do óleo no interior do aparelho de Saybolt - Furol igual a temperatura do ligante asfáltico dentro do tubo de ensaio. As temperaturas de maior interesse nos ensaios de viscosidade Saybolt - Furol são 135o C, 150o C e 177o C, as quais servem para verificar se o ligante asfáltico está dentro das exigências das especificações. O aparelho de Saybolt - Furol, que é utilizado na determinação da viscosidade Saybolt - Furol, é considerado o aparelho mais resistente para ser usado nos laboratórios para determinação da viscosidade dos ligantes asfálticos. O ensaio de viscosidade Saybolt - Furol é padronizado pela NBR 14950 / 2003. A Figura 3.4, a seguir, ilustra alguns elementos constituintes do aparelho de Saybolt - Furol; Inclusive, o óleo aquecido que circula dentro do aparelho, e o ligante asfáltico ensaiado no interior do tubo de ensaio. A Figura 3.5, a seguir, mostra uma foto do aparelho de Saybolt - Furol utilizado nos ensaios para determinar a viscosidade Saybolt - Furol dos ligantes asfálticos.

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Figura 3.4 - Alguns elementos constituintes do aparelho de Saybolt - Furol;

Inclusive, o óleo aquecido que circula dentro do aparelho, e o ligante asfáltico ensaiado no interior do tubo de ensaio

Figura 3.5 - Foto do aparelho de Saybolt - Furol utilizado nos ensaios para

determinar a viscosidade Saybolt - Furol dos ligantes asfálticos

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4 Ensaio ponto de amolecimento O ponto de amolecimento corresponde a uma temperatura na qual o ligante asfáltico amolece. A temperatura correspondente ao ponto de amolecimento é uma medida empírica, que ocorre em certas condições específicas de ensaio. O ensaio ponto de amolecimento também é conhecido como ensaio de anel e bola. O ensaio ponto de amolecimento é padronizado pela NBR 6560 / 2005. As principais características do ensaio ponto de amolecimento são as seguintes: i) No ensaio, uma amostra de um ligante asfáltico é colocada dentro de um anel metálico padronizado; ii) Na sequência, uma bola (ou esfera) de aço de dimensão e peso padronizados é colocada sobre a amostra do ligante asfáltico no centro do anel; iii) Todo o conjunto (anel com ligante asfáltico e bola de aço) é colocado em uma armação situada em béquer com água; Logo em seguida, a água do béquer é aquecida à taxa de 5o C por minuto; iv) Na sequência do ensaio, percebe-se que a uma certa temperatura de aquecimento da água ocorre o amolecimento do ligante asfáltico, e o ligante asfáltico não suporta mais o peso da bola; Então, o ligante asfáltico e a bola se deslocam em direção ao fundo do béquer. vi) Finalmente, quando o asfalto amolecido tocar em uma placa padrão, que está situada um pouco acima do fundo do béquer, anota-se a temperatura da água, a qual corresponderá ao ponto de amolecimento do ligante asfáltico. OBS(s). a) O ensaio do ponto de amolecimento é realizado com 2 (dois) conjuntos de anel e bola contendo amostras do mesmo ligante asfáltico; b) Se a diferença do ponto de amolecimento entre as duas porções ensaiadas do ligante asfáltico for maior que 2o C, então o ensaio deverá ser repetido; e c) Quanto menor o ponto de amolecimento do CAP (em oC), também menor tende a ser o ponto de fulgor (em oC), ou seja, menor tende a ser o ponto (em oC) em que ocorre liberação de gases inflamáveis do CAP. A Figura 3.6 a seguir mostra uma foto do ensaio ponto de amolecimento, no instante em que o ligante asfáltico das duas amostras amoleceu, e está prestes a tocar na placa padrão situada um pouco acima do fundo do béquer.

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Figura 3.6 - Foto do ensaio ponto de amolecimento, no instante em que o

ligante asfáltico das duas amostras amoleceu, e está prestes a tocar na placa padrão situada um pouco acima do fundo do béquer

5 Ensaio de ductilidade A coesão dos ligantes asfálticos é avaliada indiretamente pela medida empírica da ductilidade. OBS. Coesão de um ligante asfáltico é uma propriedade física, que resulta da forças de união (ou ligação) entre as partículas (ou moléculas) constituintes do ligante asfáltico. A Tabela 5.1 mostra uma comparação entre propriedades de misturas asfálticas ou CAUQs (concretos asfálticos usinados a quente) obtidas a partir de ligantes asfálticos ou CAPs dúcteis e não dúcteis. OBS(s). a) As propriedades aglutinantes citadas na Tabela 5.1 são as propriedades relacionadas à capacidade de unir os aglomerados, que formam a mistura asfáltica ou CAUQ; e b) Consistência relaciona-se solidez, que é uma palavra relacionada com resistência ao cisalhamento e com módulo de elasticidade do material; Quanto maior a consistência de um material maior sua resistência ao cisalhamento e maior o seu módulo de elasticidade.

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Tabela 5.1 - Comparação entre propriedades de misturas asfálticas ou CAUQs (concretos asfálticos usinados a quente) obtidas a partir de ligantes asfálticos ou CAPs dúcteis e não dúcteis

As principais características do ensaio de ductilidade são as seguintes: i) No ensaio, 3 (três) corpos-de-prova do ligante asfáltico ou CAP são moldados em um molde especial, e com uma forma de osso de cachorro; ii) Em seguida, os 3 (três) moldes com os corpos-de-prova são mergulhados na água do tanque do ductilímetro, a qual está a 25o C; iii) Após passar 90 minutos, que os três moldes com os corpos-de-prova estão na água do tanque do ductilímetro, então, os moldes com os corpos-de-prova são fixados nas garras do ductilímetro; iv) Na sequência do ensaio, são retiradas as partes laterais dos 3 (três) moldes dos corpos-de-prova; e então, inicia-se a tração dos 3 (três) corpos-de-prova na velocidade de 5 cm por minuto, até a ruptura dos corpos-de-prova; e v) A ductilidade do ligante asfáltico ou CAP é medida em centímetros (cm), logo após a ruptura dos corpos-de-prova, em uma escala fixada no próprio ductilímetro. O ensaio de ductilidade é padronizado pela NBR 6293 / 2001. A Figura 3.7 ilustra o ensaio de ductilidade, quando os três corpos-de-prova são alongados devido à força de tração exercida pelo ductilímetro. A Figura 3.8 mostra a foto de um ductilímetro instalado em um laboratório.

Flexibilidade mais flexível menos flexível

Propriedades

aglutinantesmelhores piores

Consitência

Consitência mais

sensível às mudanças

de temperatura

Consistência menos

sensível às mudanças de

temperatura

Ligante não dúctilLigante dúctil

Tipos de ligantes asfálticos ou CAPs utilizado nas

misturas asfálticas (ou CAUQs)Propriedades das

misturas asfálticas ou

dos CAUQs

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Figura 3.7 - Ensaio de ductilidade, quando os três corpos-de-prova são

alongados devido à força de tração exercida pelo ductilímetro

Figura 3.8 - Foto de um ductilímetro instalado em um laboratório Referências bibliográficas BALBO, J. T. Pavimentação asfáltica - Materiais, projeto e restauração. São

Paulo - SP: Oficina de Textos, 2007. 558p. (2.o Bibliografia principal)

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BAUER, L. A. Materiais de Construção. Vol. 2. 4. ed. São Paulo - SP: Livros Técnicos e Científicos Editora LTDA, 1992. 892p.

BERNUCCI, L. B.; MOTA, L. M. G.; CERRATTI, J. A. P.; SOARES, J. B.

Pavimentação asfáltica - Formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro - RJ: Petrobrás, ou ABEDA (Associação Brasileira das Empresas Distribuidoras de Asfaltos, 2008. 501p. (1.o Bibliografia principal)

FERREIRA, A. B. H. Novo Dicionário Aurélio da Língua Portuguesa. 2. ed. Rio

de Janeiro - RJ: Editora Nova Fronteira, 1986. 1838p GIECK, K. Manual de fórmulas técnicas. 3. ed.. São Paulo - SP: Hemus, [198-?].

Paginação personalizada (letras e números) GILES, R. V. Mecânica dos fluídos e hidráulica. São Paulo - SP: McGRAW - HILL do

Brasil LTDA, 1977. 401p. (Traduzido por Sergio dos Santos Borde) LIMA, D. C.; RÖHM S. A.; BUENO, B. S. Tópicos em estradas, apostila 205.

Viçosa - MG: Universidade Federal de Viçosa, 1985. 116p. SENÇO, W. Manual de técnicas de pavimentação. Vol. 1. São Paulo - SP: Pini,

2005. 746p SERPA, O. Dicionário escolar Inglês - Português, e Português - Inglês. 7. ed.

Rio de Janeiro - RJ: FENAME (Fundação Nacional de Material Escolar), 1975. 1301p.

OBS. [198-?] indica que a década provável de publicação do livro é a década de 80 do século XX.