ENSAIOS EM MATERIAIS ASFÁLTICOS

Teoricamente a caracterização dos materiais betuminosos deveria basear-se em coeficientes reológicos. Reologia é a ciência que estuda a variação, no tempo, das relações tensão-deformação. Conforme a natureza do material, intensidade e magnitude do esforço aplicado, os corpos podem apresentar deformações elásticas, viscosas ou de escoamento. Na prática, usam-se ensaios facilmente executáveis, devidamente normalizados, que fornecem medidas aproximadas do comportamento do material, sob determinadas condições.

A aceitação dos materiais betuminosos depende da execução de numerosos ensaios de rotina que pouco esclarecem a respeito das características químicas dos materiais betuminosos. Estes ensaios fundamentam-se em cálculos probabilísticos, seguindo condições preconizadas que devem ser seguidas a rigor. Ao final deste capítulo são apresentadas as especificações atuais para materiais betuminosos

O CAP não apresenta ponto de fusão definido. O aumento da temperatura altera seu estado físico de sólido para líquido. Comportam-se como corpos visco-elásticos no intervalo de temperatura de serviço.

O teor de água deve ser pequeno nos materiais betuminosos, a fim de que não espumem quando aquecidos acima de 100° C. Nos CAPs esse controle processe-se pela exigência de que não espumem quando aquecidos a 177° C. Um ensaio simples para a verificação da presença de água no CAP consiste em se aquecer uma quantidade de CAP, observando o aparecimento de um “borbulhar” na superfície. Caso apareça a formação de bolhas, conclui-se que o CAP continha alguma quantidade indevida de água. O ensaio denominado “Determinação de água em Petróleo e outros materiais betuminosos” (MB-37/1975) fixa o modo de proceder-se à verificação de água existente em Petróleo e materiais betuminosos através de destilação.

Este ensaio dá uma ideia da quantidade de betume puro e da qualidade do asfalto. É chamado de ensaio da Solubilidade e utiliza-se o frasco de Erlenmeyer. No cimento asfáltico do petróleo a fração solúvel no CCl4 ou CS2 representa os ligantes ativos do asfalto.

• Nos CAPs : 99,5 % é solúvel no CS2 ou CCl4.
• Nos CANs : 60 a 80 % é solúvel no CS2 ou CCl4.
• Nos Alcatrões: 75 a 88 % é solúvel no CS2 ou Ccl4.

As etapas principais do ensaio são as seguintes:

a) Pesar a amostra de asfalto antes do ensaio

b) Dissolver a amostra em um solvente (CS2 ou CCl4 )

c) Filtrar o material para remoção da parcela insolúvel

d) Secar e pesar a parte insolúvel

A diferença entre o peso inicial e o peso insolúvel, expressa em %, representa a solubilidade do CAP.

A temperatura altera significativamente o estado físico ou de consistência dos asfaltos, sendo por isso considerado um material termo-plástico. Desta forma, este material deveria ser estudado sob o ponto de vida da Reologia que é um ramo da física que trata do estudo de deformação e do fluxo (ou fluência) dos materiais quando sujeitos a um carregamento qualquer, levando em consideração o tempo de duração desse carregamento. No caso específico dos asfaltos, além do tempo de aplicação da carga, também a temperatura é um fator de fundamental importância no comportamento desse material devido ao fato destes serem termo-sensíveis. A Consistência pode ser medida através de vários parâmetros, como por exemplo: Penetração, Ponto de Amolecimento, Coeficiente de Viscosidade (?), Viscosidade Saybolt, etc.

a) Determinação da Penetração de materiais asfálticos (NBR 6576):

Este ensaio mede a consistência do CAP pela penetração de uma agulha de dimensões padronizadas, em décimos de milímetros, submetida a uma carga préestabelecida de 100 g durante 5 segundos a uma temperatura de 25° C. Este ensaio dá uma idéia da consistência para fins de classificação. Existem outras condições para a realização do ensaio, sendo função das propriedades dos asfaltos, como por exemplo: 0° C, 200g e 60 seg. ou 46,1° C, 50g e 5 seg. Esquema do ensaio:

b) Ponto de Amolecimento - método do anel e bola (NBR 6560):

Também destinado a medir a consistência dos CAPs , medindo a evolução da consistência com a temperatura. Indica a que níveis de dureza os asfaltos tem uma certa consistência. Este ensaio é arbitrário pois o amolecimento de um material betuminoso não se dá a uma temperatura definida, havendo mudança gradual da consistência com a elevação da temperatura.

As etapas principais do ensaio são as seguintes:

a) Moldagem de um corpo de prova de asfalto em um anel de latão com 5/8” (15,9 mm) de diâmetro interno e 1/4” (6,35 mm) de altura.

b) Imergir o anel com o material betuminoso em água de modo que a base fique a 1” (25,4 mm) do fundo do recipiente. A temperatura da água deve ser mantida em 5° C.

c) Colocar uma esfera de aço com 3/8” de diâmetro (9,53mm) pesando 3,5 g sobre a superfície do anel.

d) Fazer a temperatura da água subir à razão de 5° C por minuto.

O ponto de amolecimento é a temperatura da água para a qual o material betuminoso amolecido for empurrado para baixo, devido ao peso da esfera, no momento que tocar o fundo do recipiente.

c) Determinação do Índice de Suscetibilidade Térmica:

O Índice de Suscetibilidade Térmica (IST) ou Índice de Pfeiffer Van Doormal (PVD) é dado pela seguinte expressão que correlaciona o valor da Penetração e do Ponto de amolecimento.

De um modo geral pode-se afirmar o seguinte:

• Para PVD < (- 2): Asfaltos que amolecem muito rapidamente com o aumento da temperatura e tendem a ser quebradiços em baixas temperaturas.
• Para PVD > (+ 2): Asfaltos oxidados com baixíssima suscetibilidade térmica e não são indicados para serviços de pavimentação.

Para os asfaltos produzidos no Brasil, normalmente se tem: - 2 < PVD < +1. A s especificações atuais para asfaltos brasileiros (Resolução ANP Nº 19, de 11de julho de 2005) estabelecem os seguintes limites para o PVD: - 1,5 < PVD < +0,7. Acima da temperatura correspondente ao seu Ponto de Amolecimento, os CAP’s apresentam comportamento Newtoniano ou aproximadamente Newtoniano (Santana e Gontijo). Abaixo do Ponto de Amolecimento, a até cerca de 0ºC, os CAP’s podem apresentar um fluxo Newtoniano até um fluxo muito complexo. Para temperaturas muito baixas (inferiores a 0ºC) e pequenos tempos de aplicação de cargas, o comportamento dos CAP’s é de um sólido praticamente elástico.

d) Determinação da viscosidade Saybolt-Furol (NBR 14950):

Este ensaio também mede a consistência dos materiais betuminosos. As consistências indicadas para as operações de mistura, espalhamento e compactação são medidas em termos de viscosidades. São utilizados aparelhos denominados viscosímetros, que se destinam a medir a resistência ao escoamento de um fluido. Existem 2 métodos para a determinação da viscosidade:

• Método empírico: Utiliza o viscosímetro Saybolt, determinando-se a viscosidade Saybolt Furol (Fuel and Roads Oils) onde a unidade é o segundo (SSF).
• Método absoluto: Utiliza os viscosímetros capilares ou de placas paralelas, determinando-se a viscosidade cinemática, onde a unidade é o “Poise” (P) ou Stokes.

No viscosímetro de placas paralelas pode-se observar a lei de Newton para os fluidos: “A resistência ao deslocamento relativo das partes de um líquido é proporcional à velocidade com que estas partes se separam uma da outra.” A viscosidade é uma medida da consistência que o material apresenta ao movimento relativo de suas partes ou ainda de sua capacidade de fluir. É a característica inerente ao material de opor-se ao fluxo ou deslocamento de uma partícula sobre partículas adjacentes devido a uma espécie de atrito interno do material.

A viscosidade saybolt exprime o tempo , em segundos, que uma determinada quantidade de material leva para se escoar em determinada temperatura e em condições padronizadas. São comumente utilizadas as temperaturas de 25, 50, 60 e 82,2° C para asfaltos diluídos e emulsões e para cimentos asfálticos a viscosidade é medida a 135° C. As especificações para o cimento asfático do petróleo fixam os seguintes valores mínimos:

O ensaio para determinação da viscosidade Saybolt pode ser assim resumido:

a) Aquecer o óleo do viscosímetro até obter a temperatura de ensaio

b) Inserir uma rolha no fundo do viscosímetro

c) Filtrar a amostra (peneira nº 100) diretamente no viscosímetro, preenchendo até nível do bordo.

d) Agitar a amostra até a temperatura do ensaio através de um termômetro e) Colocar o frasco receptor, de volume fixo de 60 ml sob o viscosímetro e retirar a rolha

f) Marcar o tempo em segundos até o escoamento da amostra atingir o menisco de referência. Este tempo é a viscosidade.

Ductilidade é a propriedade de um material suportar grandes deformações (alongamento) sem ruptura. Tem por finalidade, este ensaio, medir a resistência à flexibilidade. A medida da ductilidade é dada pela distância (em cm) que um corpo de prova de material betuminoso, em condições padronizadas, submetido a um esforço de tração, também em condições especificadas, se rompe. A maioria dos cimentos asfálticos para pavimentação tem ductilidade superior a 100. As especificações para o CAP fixam os seguintes valores:

A sequência do ensaio é a seguinte:

a) Moldagem de um corpo de prova que deverá conter uma seção transversal de 1 cm2 . O asfalto deverá ser peneirado previamente na peneira nº 50 (0,3mm).

b) Colocação do corpo de prova moldado imerso em água no ductilômetro. A temperatura da água deverá ser mantida a 25°C.

c) Uma extremidade do corpo de prova fica fixa à parede do aparelho e a outra é presa a uma parte móvel que irá se mover com uma velocidade de tração de 5 cm por minuto.

d) O material betuminoso não deve ficar em contato com a superfície da água ou com o fundo do ductilômetro. A imersão em água é utilizada para evitar a catenária do filamento que é formado.

A medida da ductilidade é tomada coma a distância máxima que o corpo de prova conseguir se estender até o momento da ruptura. Deve-se tomar a média de três determinações para o valor da ductilidade final.

Destina-se a verificar se o processo de destilação utilizado é aceitável. Mede a instabilidade coloidal criada nos asfaltos por um superaquecimento ou destruição das estruturas. Sua finalidade é eliminar (desqualificar) um asfalto que no processo de refinação tenha sofrido “Craqueamento” (quebra da cadeia original de hidrocarbonetos). Asfaltos craqueados são susceptíveis as intempéries. O ensaio constitui-se dos seguintes passos:

a) Dissolução de amostra de asfalto em nafta ou solvente (CCl4)

b) Coloca-se uma gota dessa mistura sobre folha de papel filtro 

• se a mancha apresentar coloração homogênea (uniformemente marrom), o resultado é negativo, ou seja, o material é aceitável. 
• e a mancha apresentar uma parte mais escura no centro ou coloração heterogênea, o resultado é positivo, sendo o material recusado.

Ponto de Fulgor é a temperatura na qual os vapores originados pelo aquecimento do produto asfáltico se inflamam quando em contato com uma chama padronizada. É a temperatura limite que pode o material asfáltico atingir em obra sem risco de incêndio. É um indicativo da presença de certos constituintes voláteis indesejáveis no asfalto. É um ensaio de segurança. As especificações atuais do CAP fixam o valor de 235°C para o ponto de fulgor. O ensaio é realizado no Vaso Aberto de Cleveland e constitui-se dos seguintes passos:

a) Encher o vaso até a linha de marcação com o material betuminoso b)Acender a chama de ensaio (diâmetro aproximado de 4 mm)

c) Aquecer a amostra a uma razão de 14 a 17° C por minuto no início do ensaio e a 5,5° C por minuto nos últimos 28° C antes da provável temperatura do ponto de fulgor.

d) Aplicação de chama nos últimos 28° C a cada 2,8° C. A chama deve cruzar o centro da amostra em linha reta, perpendicularmente ao diâmetro que passa pelo termômetro, a 2 mm da superfície, durante 1 segundo.

e) Anotar a temperatura quando aparecer um fulgor na superfície da amostra

Este ensaio exige precisão, devendo considerar o resultado como suspeito quando duas determinações diferirem mais de 8,3° C pelo mesmo operador ou mais de 16,7° C quando realizados por dois laboratórios.

Obs.: Para materiais que tenham ponto de fulgor inferior a 80° C procede-se o ensaio do ponto de fulgor através do Vaso Aberto de TAG.

Ensaios em Asfaltos Diluídos e Emulsões:

Além dos ensaios utilizados na caracterização dos Cimentos Asfálticos do Petróleo, existem uma série de ensaios para os Asfaltos Diluídos e Emulsões Asfálticas:

• Asfaltos Diluídos: Pontos de fulgor, viscosidade, destilação, mancha, flutuação, resíduo asfáltico de penetração 100. - Emulsões
• Asfálticas: Ensaios de desemulsão ou ruptura, viscosidade, sedimentação, determinação das cargas das partículas, PH, mistura com cimento, resíduo de destilação, peneiramento, resistência à ação da água.

Neste ensaio determina-se a quantidade de voláteis destilados à temperaturas preestabelecidas, quantidade e qualidade do resíduo. Também determina-se a natureza e quantidade do diluente do cimento asfáltico empregado. Se a maior parte dos diluentes se destilam a baixas temperaturas, têm-se produtos de cura rápida. Acontecendo o contrário, têm-se asfaltos de cura lenta e média. A quantidade de resíduo final permite determinar qual o tipo de asfalto usado em cada classe de asfalto diluído. É expressa em % por volume (Resíduo da destilação a 360°C).

Os passos principais do ensaio podem ser assim resumidos:

a) Preparar 200 ml de amostra (Asfalto diluído)

b) Aplicar aquecimento através uma chama

c) Recolher o material destilado em proveta graduada e anotar a leitura dos volumes recuperados dos diluentes nas temperaturas especificadas (225, 260 e 316° C)

d) Quando atingir 360° C apagar a chama e verter o resíduo em um recipiente. Esta operação deve ser executada no máximo em 10 segundos

e) O resíduo, por volume, a 360° C será anotado como diferença entre o volume da amostra original e o volume do destilado total a 360° C.

Neste ensaio é medida a consistência de materiais betuminosos de consistência intermediária, especialmente os asfaltos diluídos de cura lenta, onde a consistência do resíduo é muito pequena, não podendo ser medida pelo ensaio de penetração. Este ensaio é feito com o resíduo de destilação. Os passos principais do ensaio são:

a) Moldar o material em um pequeno colar de latão: b) Deixa-se o corpo de prova resfriar até 5° C em imersão em água c) Anexar o colar no fundo do flutuador d) Mede-se o tempo em segundo para que a temperatura amoleça o material betuminoso e permita que ele flua para dentro do flutuador e) Quanto maior o número, maior a consistência.