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MATERIAIS BETUMINOSOSPARA

CONSTRUÇÃO CIVILPCC 2339

Professores:

Antonio Figueiredo

J. Gaspar Djanikian

Paulo Helene

Sílvia Selmo

Vahan Agopyan

Vanderley John

Colaboração:

Talita de Almeida2

MATERIAIS BETUMINOSOS PARA

CONSTRUÇÃO CIVILTópicos

•Introdução sobre betumes• Aplicações – históricas e atuais• Conceito, microestrutura e composição• Comportamento macroscópico• Mecanismos de deterioração

• Principais tipos e propriedades características:• Asfaltos, emulsões e soluções asfálticas, alcatrões, asfaltos modificados;• Asfaltos oxidados, membranas, feltros e mantas asfálticas.

• Bibliografia

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Betumes –Aplicações históricas

� Emprego remonta à Pré-história:

� Material de ocorrência natural, aglomerante e impermeabilizante:

•Arca de Noé – citação biblíca;•Tanques de banho - romanos;

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� Pavimentos rodoviários:

Betumes –Aplicações atuais

� A partir do século XIX: na França e depois nos EUA e na Inglaterra (asfaltos naturais);

� Início do século XX – emprego de betumes gerados como resíduos, pela destilação do petróleo – ASFALTOS ou CIMENTOS ASFÁLTICOS DE PETRÓLEO – sigla CAP;� CBUQ – concreto betuminoso usinado a quente

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� Sistemas de impermeabilização flexíveis:

Betumes –Aplicações atuais

�A partir de meados do século XX;�Produtos mais comuns:

•ASFALTOS OXIDADOS – sigla AO (a quente em “primers” e membranas);• Mantas de AO com reforço;• Emulsões e soluções asfálticas (aplicação a frio);• Feltros asfálticos;• Mastiques;• ASFALTOS MODIFICADOS COM POLÍMEROS ou ELASTÔMEROS (SBS, borrachas – amostra para exemplificar).

• Sugere-se consultar sites dos fabricantes indicados na bibliografia

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Tipo SOL

Tipo GEL

Betumes –Microestrutura amorfa

asfaltenos

maltenos

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Misturas de hidrocarbonetos pesados (ciclanos, alcanos, benzoides, ciclanos aromáticos, etc.) obtidas em estado natural ou por diferentes processos industriais,

com consistência variável, de sólida a fluida, ecom poder aglomerante, impermeabilizante e resistente a álcalis e ácidos,

mas solúveis no bissulfeto de carbono (CS2).

Betumes –Conceito

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Suspensões coloidais, em que

Betumes –Microestrutura

asfaltenos são as partículas solutas, com tamanho entre 5 e 30 nm, massa molecular de 600 a 300.000, solúveis no bissulfeto de carbono e no tetracloreto de carbono. Respondem pela viscosidade e dureza dos betumes.

solventes, maltenos ou petrolenos são constituídos por parafinas saturadas, hidrocarbonetos aromáticos com poucas cadeias parafínicas (relação C:H > 0,8) e resinas. Baixa massa molecular, não viscosos, não polares

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Asfaltenos

Resinas

Óleos

Maltenos

ELEMENTO % EM MASSA

C 85 a 95

H > 15

S 0 a 5

N < 2

O < 5

Betumes –Composição

C100

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Aglomerantes orgânicos, hidrófugos, amorfos (sem temperatura de fusão definida) termoplásticos e recicláveis;São visco-elásticos sob tensão aplicada de forma gradual, mas podem se tornar frágeis por carga abrupta;Propriedades dependem da fração de asfaltenos.

Baixo teor de asfaltenos: a viscosidade da suspensão é newtoniana (linear)Viscosidade da suspensão coloidal é função da densidade da partícula - Teoria da hidrodinâmicacontínua de Einstein.

Betumes –Comportamento macroscópico

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� com 8% de asfaltenos em volume: o betume torna-se um gel viscoelásticocom módulo de elasticidade não nulo(forma-se uma rede 3D de partículas de asfaltenos);

� a interação entre os asfaltenos é por forças de van der Waals, por isso mesmo um betume com 15% de asfaltenosamolece entre 60 ºC e 100ºC;

Betumes –Comportamento macroscópico

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Betumes –Mecanismos de deterioração

� Oxidação: pela exposição à luz UV, inserção de oxigênio em cadeias insaturadas, gera ligações tri-dimensionais tipo “cross-link”: aumento da viscosidade e fissuração;

� Evaporação: perda dos voláteis, com aumento da viscosidade e da dureza e diminuição da ductilidade, provocando fissuração;

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� Carbonização: elimina hidrogênio e provoca continuação da polimerização;

� Outros: polimerização, coagulação, deterioração microbiológica (oxidação), lixiviação.

Betumes –Mecanismos de deterioração

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ASFALTOS ou CAP

ASFALTO - material sólido ou semi-sólido, de cor preta ou marrom escura, que se funde gradualmente pelo calor, e no qual os constituintes predominantes são os betumes. (Definição da NBR 9575/2003)

Emprego como aglomerante em misturas para pavimentos e impermeabilização.

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ASFALTOS ou CAP

� “Cimento asfaltico de petróleo (CAP): Produto obtido no fundo da torre de vácuo, após a remoção dos demais destilados de petróleo.” (NBR 9575/2003)

� O petróleo (rico em frações pesadas) pré-aquecido é introduzido nas torres de destilação, e entre 300 e 350°C separa-se em� nafta (gasolinas);� dois gasóleos (um leve, querosene e outro mais

pesado, óleo diesel);� resíduo é o asfalto� resíduos finais dão origem ao piche e breu.

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CAP –Principais propriedades

� VISCOSIDADE: é propriedade básica que classifica os asfaltos; depende da temperatura, medida complexa;

� PONTO DE AMOLECIMENTO: qualificação usual da viscosidade; classificação comercial. Ex: CAP 50/70 (endurecido na lata);

� PONTO DE FULGOR Valores de referência para o seu emprego a quente;

� RESISTÊNCIA À PENETRAÇÃO (DUREZA): proporcional à viscosidade

� DUTILIDADE: medida por ensaio de tração; tem que estar conjugada com a dureza, conforme a aplicação;

� BETUME TOTAL, MASSA ESPECÍFICA e DESTILAÇÃO: para completar qualificação do produto.

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� Diluição com outros hidrocarbonetos para seremaplicados com pequeno ou nenhumaquecimento;

� Em função do tempo de evaporação do diluente (cura) são classificados em três tipos:� AD - cura rápida (com diluente leve tipo nafta)� AD - cura média (com diluente médio tipo querosene)� AD - cura lenta (com diluente mais pesado tipo óleo

diesel)

ASFALTOS DILUÍDOS

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� Dentro de cada tipo o AD é classificado em função de sua viscosidade;

� Em relação ao CAP, são menos viscosos e menor poder aglomerante;

� Uso principal: pavimentação (imprimação e tratamentos superficiais, principalmente)

ASFALTOS DILUÍDOS

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� Asfalto emulsionado em água, apresentando partículas carregadas eletricamente:

• ânionicas (-), p/ misturas com calcários e dolomitos,• catiônicas (+) p/ granitos e quartzos, e emulsões

especiais;� são classificadas em função do tempo de separação do

asfalto da água (ruptura);� usos: impermeabilização e pavimentação.� Normas de impermeabilização: NBR 9685/2005 e NBR

9686/2006

EMULSÕES ASFÁLTICAS

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ALCATRÃO

� Destilação destrutiva da hulha•resíduos (gasômetros, coquerias,etc); nas

coquerias, a altas temperaturas (1200°C) esem acesso de ar, o carvão se plastifica, destruindo as grandes cadeias de hidrocarbonetos, resultando o alcatrão bruto, que é redestilado para o emprego em construção civil;

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ALCATRÃO� diferenças com os asfaltos:

� maior poder aglomerante e melhor adesividade;

� menor durabilidade, pois tem mais voláteis;� maior sensibilidade à temperatura� O alcatrão é mais resistente a produtos

químicos e é usado em tintas industriais a base de epóxi. Mas, na indústria de tintas, o seu uso tende a ser reduzido progressivamente, por exigências ambientais, segundo especialista do setor.

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Novos produtos� Modificados com polímeros (maior

homogeneidade, durabilidade e comportamento elástico)

� Asfaltos modificados com fibras (maior resistência mecânica) - Interlagos

ASFALTOS MODIFICADOS

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Endurecimento e fissuraçãoO agregado deve conferir maior rigidez, estabilidade e resistência à abrasão.

Pavimentos asfálticos (CBUQ) -Falhas de desempenho pela deterioração

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Pavimentos asfálticos (CBUQ) -Falhas de desempenho peladeterioração

Deformação lenta visco-plástica

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ASFALTOS OXIDADOS – AONBR 9910/2002

• Estrutura modificada pela oxidação: faz-se passar uma corrente de ar ainda na torre de destilação, numa temperatura em torno de 200°C;

• São classificados basicamente em função do seu ponto de amolecimento (mais alto que os CAPs);

• Em relação ao CAP, são mais duros e duráveis, menos sensíveis à temperatura;

• Uso principal – impermeabilização.

• Alguns classificam este tipo de asfalto como modificado, mas o termo modificado é em geral aplicado a asfaltos aditivados com polímeros, cfe. adiante.

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Asfaltos oxidados – NBR 9910/2002T ipos de asfa lto I II III IV

P on to de am o lecim en to 0C 60-75 75-95 95-105 85-105

P enetração (250C , 100g, 5s), 0,1 m m 25-40 20-35 15-25 40-55

D uctib ilidade (250C , 5 cm /m in)cm , m ínim o 5 - - 10

P erd a po r aq uec im en to cm m assa

(16 30C . 5 h )% m ax

1 1 1 1

P enetração res íduo (% d a penetração

orig inal), m in

60 60 75 60

S olub ilidad e em C S 2 ,% em m assa m in 99 99 99 99

P on to de fu lgo r 0C m ín im o 235 235 235 235

Nota – é recomendável que o mínimo de ponto de amolecimento corresponda ao máximo de penetração e vice-versa, para os quatro tipos de asfaltos considerados.

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Recomendações de fabricantes para usos dos asfaltos oxidados, por exemplo em www.betumat.com.brTIPO I:São aplicados em estruturas enterradas.TIPO II e III:São utilizados em sistemas de impermeabilizações moldados no local e colagens em sistemas pré-fabricados (mantas asfálticas).TIPO IV:São aplicados em câmaras frigoríficas e isolação térmicas.Consumo...................................................................................................TIPO I: Áreas enterradas.................. 2,0 - 4,0Kg/m²TIPO II e III:Áreas frias(banh./cozinhas).. 3,0 - 4,0Kg/m²Piscinas e caixas d’águas...... 2,0 - 4,0Kg/m²Lajes de cobertura.............. 4,0 - 5,0Kg/m²TIPO IV:Câmaras frigoríficas 2,0-4,0Kg/mSistema de Aplicação................................................................................Regularizar as áreas;Imprimar as áreas com primer e aguardar a secagem total;Aplicar o asfalto oxidado em uma demão com consumo aproximado de 1,5Kg/m²;Após esfriar a primeira demão, alinhar o reforço (tela ou veú de poliéster) e complementar a impermeabilização com demais demãos de AO, até atingir o consumo pré-estabelecido.

Asfaltos oxidados

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Membranas asfálticas para impermeabilização

� Sistemas moldados ‘in loco’, em 3 ou mais demãos de AO, geralmente com primer e camadas de reforço (feltros, mantas poliméricas de tecido ou não-tecido);

� Além do AO, pode-se empregar o asfalto diluído ou a emulsão asfáltica, com menor eficiência.

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Desenhos extraídos de www.betumat.com.br

Como bem definiu o Eng. MSc. Marcos Storte,da Viapol:

“A obra não é lugar de pensar...

A obra é lugar de fazer“

Use a NBR 9575/2003 – Impermeabilização – Seleção e Projeto !!

Detalhamento técnico de impermeabilização é fundamental

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Asfalto oxidado – exemplo de aplicação em membrana de impermeabilização

Imagens: www.betumat.com.br

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Feltros asfálticos – NBR 9228/1986

São produtos para reforço, constituídos por feltros celulósicos ou poliméricos (não tecidos) impregnados com asfalto, com saturação superior a 120%São classificados em função da massa do feltro não impregnado: 250, 350 e 500 (gramas por metro quadrado)

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Feltros asfálticosT I P OC A R A C T E R Í S T I C A S

2 5 0 3 5 0 5 0 0

M a s s a d o f e l t r o a s f á l t i c o s a t u r a d o , m í n im a ( k g / m 2 ) 0 , 5 5 0 , 7 7 1 , 1 0

M a s s a d o c a r t ã o a b s o r v e n t e s e c o , m í n im a ( k g / m 2 ) 0 , 2 5 0 , 3 5 0 , 5 0 t

P o r c e n t a g e m d e s a t u r a ç ã o m í n im a ( % ) 1 2 0 1 2 0 1 2 0

P o n t o d e a m o l e c im e n t o s a t u r a n t e ( 0 C ) 3 4 a6 5

3 5 a6 5

3 5 a6 5

F l e x i b i l i d a d e a 1 0 0 C ( m a n d r i l d e 3 , 0 c m d ed iâ m e t r o )

( A ) ( A ) ( A )

R e s i s t ê n c i a à t r a ç ã o d o f e l t r o a s f á l t i c o s a t u r a d om í n im a ( N / 0 , 0 5 m )

s e n t i d o l o n g i t u d i n a l 1 3 0 2 0 0 3 0 0

s e n t i d o t r a n s v e r s a l 1 3 0 2 0 0 3 0 0

A lo n g a m e n t o n a r u p t u r a d o f e l t r o a s f á l t i c os a t u r a d o n o m í n im o ( % )

s e n t i d o l o n g i t u d i n a l 2 2 2

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Mantas asfálticas –propriedades

� Aderência;� Resistência química;� Resistência mecânica (impacto, tração);� Inertes aos demais materiais em contato;� Impermeabilidade e ductilidade:� Resistência à deterioração (lixiviação, perda

de voláteis, oxidação, carbonização, etc.)

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� Asfalto oxidado: garante a estanqueidadecom boa durabilidade;

� Armadura de reforço: produtos celulósicos ou poliméricos, para conferir propriedades mecânicas e impedir fissuração;

� Acabamentos reflexivos ou com grãos minerais: para proteção solar e mecânica (abrasão, impacto, etc.)

Mantas asfálticas – materiais constituintes

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Qualificação de mantas asfálticas para

impermeabilização

NBR9952/2007

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Mantas – Requisitos e critériosconforme NBR 9952/2007

I II III IV

3 mm 3 mm 3 mm 3 mm

Tração (mínimo) 80 N 180 N 400 N 550 N

Alongamento (mínimo) 2% 2% 30% 35%

1,50% 1,50% 1,50% 1,50%

A (-10 °C) (-10 °C) (-10 °C) (-10 °C)

B (-5 °C) (-5 °C) (-5 °C) (-5 °C)

C 0 °C 0 °C 0 °C 0 °C

2,45 J 2,45 J 4,90 J 4,90 J

95 °C 95 °C 95 °C 95 °C

1% 1% 1% 1%

A 0 °C 0 °C 0 °C 0 °C

B 5 °C 5 °C 5 °C 5 °C

C 10 °C 10 °C 10 °C 10 °C

5 mca 10 mca 15 mca 20 mca

50 N 100 N 120 N 140 N

7) Estabilidade Dimensional (máximo)

Mantas asfálticas expostas

Mantas asfálticas protegidas ou

auto protegidas

8) Envelhecimento acelerado

11) Resistência ao rasgo (mínimo)

Os cps após o ensaio não devem apresentar

bolhas, escorrimento, gretamento, separação dos

constituintes, deslocamento ou delaminação

9) Flexibilidade após envelhecimento

aceleradoTipos

10) Estanqueidade (mínimo)

4) Flexibilidade a baixa temperatura Tipos

6) Escorrimento (mínimo)

5) Resistência ao impacto 0 °C (mínimo)

2) Resistência à tração e alongamento_carga

máxima (longitudinal e transversal)

3) Absorção d'água - variação em massa (máximo)

RequisitosTipos

1) Espessura

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Mantas asfálticas –Preparação de amostras

� Uma amostra consiste na retirada de um trecho de cerca de 3m de comprimento da parte média do rolo (evita-se início e final) que possui 1m de largura.

� Seqüência de corte dos corpos-de-prova definida pela norma.

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Mantas asfálticas –Corte dos corpos-de-prova

� Amostra cortada

� Amostra íntegra

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Mantas asfálticas –Corpos-de-prova

� Vários acabamentos� Sala de climatização (23±2°C por 2h)

antes dos ensaios

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Mantas asfálticas –Espessura da manta

� Determinação direta por micrômetro

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Mantas asfálticas –Resistência à tração

� Carregamento controlado� Velocidade de

100mm/minuto� Diagrama carga-

alongamento

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Mantas asfálticas –Resistência à tração

Corpo-de-prova rompido

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Mantas asfálticas –Absorção de água

� Imersão em banho a 50°C por 5 dias� Máxima absorção = 1,5%

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Mantas asfálticas – Flexibilidade à baixa temperatura� Ensaio de dobramento a frio

Tipo A -10°CTipo B -5°CTipo C 0°C

Freezer

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Não podem apresentar fissuras ou rompimento

Mantas asfálticas – Flexibilidade à baixa temperatura

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Mantas asfálticas – Resistência a impacto (O°C)

Queda de 0,25m para mantas de tipo I e II, e de 0,50m para os tipos III e IV

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Mantas asfálticas – Resistência a impacto (O°C)

� Verificação de cortes e mossas

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Mantas asfálticas - Escorrimento

� Verificação de escorrimento à temperatura de 95°C� 2h em estufa� OS cps devem ser examinados observando se houve

deslocamento de massa asfaltica ou pontos com acúmulo do material betuminoso na forma de gotas ou semicírculos.

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Estabilidade dimensional

� Apoio do corpo de prova sobre placa de vidro com camada de talco

� Temperatura 80°°°°C � Tempo = 72 horas� Variação máxima dimensional

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Mantas asfálticas –Estabilidade dimensional

� Medição com gabarito

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Mantas asfálticas –Envelhecimento acelerado

� Temperatura 80°C� Tempo = 4 semanas� Repetição do ensaio de

flexibilidade a frio (quantificação da perda de desempenho) sob os mesmos critérios

� Os cps não devem apresentar bolhas, escorrimento, gretamento, separação dos constituintes, deslocamento ou delaminação.

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Ex. asfalto elastomérico� Mantas, membranas e � Juntas (canal de irrigação)

Imagens: http//www.betumat.com.br

ASFALTOS MODIFICADOSAditivados com polímeros

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Asfalto elastomérico – Requisitos e critériosconforme NBR 13121/1994

NBR 6560 90 °C

NBR 6576 45.10-1

mm

ASTM D-71 1,15

25%

NBR 7462 15%

ASTM D-430 1000 ciclos

NBR 9957 70%

ASTM D-2939 Não fissurar

Ver item (5) Não escorrer

5) Deformação máxima permanente(2)

7) Resistência à fadiga por dobramento, após envelhecimento acelerado (1)

, em relação ao valor da

resistência inicial à fadiga, mínimo

8) Flexibilidade a baixa temperatura(4)

(-5 + 0,5) °C

9) Escorrimento

2) Dureza, penetração máxima

3) Densidade máxima

4) Alongamento mínimo, na carga máxima(1)

6) Resistência à fadiga por dobramento(1)

, mínimo

(1) Corpo-de-prova com espessura mínima de 4 mm.

(2) Um corpo-de-prova com 150 mm x 50 mm x 4 mm quando tracionado deve permanecer deformado a 50% em relação à distância inicial entre

garras, igual a 40 mm, pelo período de 1 h. A medida de deformação final é feita 1 hora após o relaxamento da deformação. O resultado é a média

de 3 determinações.

(4) a) Preparação dos cps.: aquecer asfalto em banho de óleo térmico a temperatura máxima de 180

oC, e moldar o asfalto em moldes de 100 mmm

x 100 mm x 1,60 mm com fundo em papel de alumínio apoiado em superfície rígida. Aguardar 24 h para o ensaio; b) Ensaio: Três corpos-de-

prova são imersos em água com sal de cozinha e detergente biodegradável, mantidos a (- 5 + 0,5) °C, durante 1 h e após ensaiados em mandril de

50 mm de diâmetro, ângulo de 180 oC, durante 2 s.

(5) a) Preparação dos cps.: como em no item (3)a); b) Ensaio: Três corpos-de-prova são mantidos em estufa à temperatura de (70 + 1) °C, na

posição vertical; após 2 h verificar se houve escorrimento da parte inferior dos cps. e nem relação ao papel de alumínio.

(3) Alternância de temperatura entre 80 °C e 70 °C, em estufa ventilada, por 6 semanas.

Requisitos - NBR 13121/1994

1) Ponto de amolecimento, mínimo

Método de ensaio Critério

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ASFALTO ELASTOMÉRICOEspecificação da amostra distribuída em sala, Betuplast:

Ponto de amolecimento (D-36).......90ºC - 105ºCPenetração (D-5)............................ 35 - 40mm/10Cinzas (D-2415)..............................0 - 2%Atende a Norma Brasileira..............NBR 13.121Polímero utilizado......................... SBS (estireno - butadieno - estireno)

Consumo..........................................................................

· Membranas impermeabilizantes..... 2,0-3,0Kg/m²· Juntas de dilatação (2x1cm) ............0,230Kg/metro linear

Aplicação..........................................................................

Aplicado a quente, temperatura entre 160ºC-180ºC, com aquecimeto em banho-maria.

Cuidados............................................................................

A temperatura máxima para aplicação é de 180ºC;Não aquecer em fogo direto. Utilizar caldeiras de óleo térmico, elétrica ou colchão de areia;Não aplicar em substrato úmido. Fonte: http//www.betumat.com.br

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Detalhamento técnico de junta em asfalto elastomérico

Imagens: http//www.betumat.com.br56

Dimensionamento de selantes flexíveis (escolha éfunção da capacidade de movimentação do polímero)

l comprimento da peça

εmax def. máxima do selante

∆ l movimento máx. previsto (mm)

∆T variação térmica (oC)

f(cor superficial + ambiente)

α coef. dilatação térmica (oC-1)sup. planamaterial

não adesivo no fundo para impedir aderência do selante

x

0,5

a 1x

selante

Selantes mais flexíveis são os elásticos (silicones, poliuretanos e polissulfetos, movimentação elástica até + 25 %) seguidos dos elasto-plásticos (acrílicos – até + 7 % e asfaltos modificados).

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Materiais betuminosos –Bibliografia

� ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas - Manta asfáltica para impermeabilização NBR9952. São Paulo, ABNT, 2007.

� ____ – Emulsão asfaltica para impermeabilização NBR9685. São Paulo, ABNT, 2005.

� ____ – Solução e emulsão asfalticas empregadas como material de imprimação na impermeabilização NBR 9686. São Paulo, ABNT, 2006.

� ____ – Impermeabilização - Seleção e projeto NBR 9575. São Paulo, ABNT, 2003.

� ____ – Feltros asfálticos para impermeabilização NBR 9228. Rio de Janeiro, ABNT, 1986.

� ____ – Asfaltos modificados para impermeabilização sem adição de polímeros - Características de desempenho NBR 9910. São Paulo, ABNT, 2002.

� Selmo, S. Materiais Betuminosos. EPUSP/PCC, São Paulo, 2002, 27 p. (Apostila PCC 2339, ed. rev.)

� Taylor, G.D. Construction Materials. Longman, Singapore, 1991.� Sites da Viapol e Betumat.