Caracterizacao de Asfaltos Modificados Com Sbs

38a REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO 12o ENCONTRO NACIONAL DE CONSERVAÇÃO RODOVIÁRIA

38.a RAPv / 12.o ENACOR

MANAUS/AM - BRASIL - 12 a 16 de agosto de 2007

CARACTERIZAÇÃO DE ASFALTOS MODIFICADOS COM SBS

Mônica R. S. Fernandes1; Maria Madalena de Camargo Forte2, Leni Figueiredo Mathias Leite 3

RESUMO

O asfalto tem seu maior uso no mercado de pavimentação, onde atua como aglutinante e impermeabilizante, mantendo uma ligação íntima entre os agregados, capaz de resistir à ação mecânica produzida pelas cargas dos veículos, e garantir vedação eficaz contra penetração de água da chuva, prejudiciais ao pavimento. A adição de polímeros ao asfalto, que vem sendo feita na Europa e nos Estados Unidos desde o início dos anos 70, previne a ruptura prematura do pavimento e estende a sua vida útil com redução de custos na conservação e restauração. Esta prevenção se dá, basicamente, pela redução da suscetibilidade do material a temperatura e aumento de sua flexibilidade. Os polímeros mais utilizados na modificação de asfaltos têm sido os copolímeros em bloco de estireno-butadieno (SBS). Neste trabalho foram preparadas quatro amostras de asfalto modificado com 3,5% de polímero, duas com SBS linear e duas com SBS radial, com o objetivo de se avaliar a compatibilidade dos ligantes asfálticos através de microscopia ótica de fluorescência, bem como comparar as características físicas e reológicas de asfalto modificado com SBS linear e SBS radial, para um mesmo teor de polímero, com e sem adição de óleo aromático, antes e depois de envelhecimento em estufa RTFO. Os parâmetros reológicos foram avaliados em reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) buscando-se relacionar o comportamento reológico do ligante asfáltico com o desempenho final do pavimento onde utilizado PALAVRAS-CHAVE: asfalto modificado, coploímero estireno-butadieno-estireno, SBS, reologia de asfalto ABSTRACT The most frequent use of asphalt is found in paving industry, where it acts as an aglutinating and waterproofing agent, maintaining the cohesion between the aggregates, enabling then to resiste the mechanical action produced by the traffic and granting an effective seal against the water penetration caused by the rains, that so much harm cause to the pavement. The use of synthetic polymers to modify the asphalt, which is already being used in Europe and USA since the early 1970’s, prevents the premature rupture of the pavement and increases its life cycle, reducing conservation costs. This occurs as a consequence of the decreased temperature susceptibility and enhance of the asphalt’s flexibility. The most successful polymer used as asphalt modifier has been the styrene-butadiene-styrene block copolymers (SBS). In this work four samples of modified asphalt were prepared containing 3,5% of polymer, two with linear SBS and two with radial SBS, with the objective to evaluate the compatibility of the asphalt binders using fluorescence optical microscopy and to compare the physical and rheological characteristics of modified asphalts with linear and radial SBS, for a given polymer content, with and without the addition of aromatic oil, before and after ageing in the RTFO. Analysis of the rheological parameters where realized in dynamic shear rheometer (DSR) trying to correlate the rheological parameters of the binder with its final performance on the pavement. KEY WORDS: modified asphalt, styrene-butadiene-styrene copolymer, SBS, asphalt rheology

1 Petroflex Indústria e Comércio S.A., [email protected], 2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais , [email protected],, 3 Petrobrás-CENPES, [email protected]

Os Caminhos da Integração no Encontro das Águas Manaus, AM – Brasil – 12 a 16 de agosto de 2007

INTRODUÇÃO Um pavimento é formado por camadas construídas sobre o subleito, sendo a base a camada mais importante do ponto de vista estrutural e o, revestimento ou camada de rolamento, a responsável por suportar as cargas originadas pelo tráfego e o efeito das intempéries (Oda, S, (2000)). O asfalto tem seu maior uso no mercado de pavimentação(pavimentos flexíveis), onde atua como aglutinante e impermeabilizante, mantendo uma ligação íntima entre os agregados, capaz de resistir à ação mecânica de desagregação produzida pelas cargas dos veículos, e garantindo uma vedação eficaz contra a penetração da água da chuva, que muitos danos causa ao pavimento. Apesar do ligante asfáltico estar presente em uma pequena fração do pavimento como um todo, ele tem um impacto significativo no desempenho do mesmo(Polacco, G et al, (2004)). O aumento da densidade de tráfico, da carga por eixo e da pressão dos pneus, ocorrido nas últimas décadas, levou ao desenvolvimento de ligantes asfálticos de melhor desempenho, tendo a partir daí surgido uma série de asfaltos modificados, entre eles, os modificados com polímeros. A adição de polímeros ao asfalto, que vem sendo feita na Europa e nos Estados Unidos desde o início dos anos 70, previne a ruptura prematura do pavimento e estende sua vida útil, reduzindo custos de conservação e restauração. Isto se dá, basicamente, pela redução da suscetibilidade do material a temperatura e aumento de sua flexibilidade. Entre as razões para modificar o asfalto com polímero destacam-se: o endurecimento do ligante e misturas a altas temperaturas de forma a minimizar a deformação; a flexibilização do ligante a baixas temperaturas minimizando a formação de fissuras por efeito térmico; a melhoria da resistência a fadiga, da coesão entre asfalto-agregado (reduzindo o descolamento de agregado (melhora de adesividade)), da resistência a abrasão e da resistência ao envelhecimento; formação de filmes mais espessos sobre os agregados; redução da espessura dos pavimentos flexíveis, da suscetibilidade da mistura à água (uma vez que o maior dano da água ocorre pelo deslocamento da camada de ligante da superfície do agregado) e dos custos de conservação e restauração durante a vida útil do pavimento(Silva, L.S., (2005)). Os polímeros mais utilizados na modificação de asfaltos têm sido os copolímeros em bloco de estireno-butadieno (SBS). Estes polímeros, normalmente denominados polímeros termopláticos, apresentam uma morfologia de duas fases, uma vítrea, formada pelos blocos terminais de poliestireno e outra borrachosa, formada pelo bloco central olefínico de polibutadieno. Os blocos estirênicos formam micro-domínios que ficam dispersos na matriz polibutadiênica. Estes materiais apresentam duas temperaturas de transição vítrea e a temperatura normal de serviço dos pavimentos encontra-se entre as duas Tgs, a da fase butadiênica em torno de –80°C e a da fase estirênica em torno de 100°C. Uma vez que a estrutura conferida pelo SBS é devida a forças de natureza física e não química, a reticulação é reversível mesmo com a aplicação de vários ciclos de aquecimento e resfriamento, prestando-se assim ao uso como modificador de asfalto(Polacco, G et al, (2004)). Quando o SBS é misturado ao asfalto, a fase elastomérica absorve os maltenos presentes neste e aumenta até nove vezes o seu volume inicial. Para uma concentração adequada de SBS, normalmente entre 3 e 5% , forma-se através da matriz asfáltica uma rede polimérica que modifica significativamente as propriedades do asfalto. Por outro lado, as cadeias poliméricas competem com os asfaltenos pela solvatação dos maltenos e pode ocorrer separação de fases se a quantidade de maltenos for insuficiente. Esta separação é uma indicação da incompatibilidade da mistura asfalto-polímero e pode ser otimizada pela adição de óleo aromático e/ou uso de reticulantes. Uma quantidade muito alta de aromáticos pode, entretanto, dissolver os domínios de poliestireno e resultar em perda de desempenho da mistura (Airey, G, (2003)).


O asfalto foi caracterizado durante muito tempo apenas com base em ensaios convencionais, baseados em métodos empíricos, como as análises de penetração, ductilidade, ponto de amolecimento, entre outras. Os estudos realizados durante o Programa de Pesquisa SHRP( Strategic Highway Research Program) vieram agregar propriedades reológicas como módulo complexo, ângulo de fase, tangente delta, G*/senδ, de forma a possibilitar a correlação destas propriedades fundamentais com o desempenho do pavimento. Tais parâmetros têm contribuído para a maior compreensão do comportamento dos ligantes asfálticos e possibilitado grandes avanços na área de pavimentação(Oda, S, 2003). O objetivo deste trabalho é avaliar e comparar as características físicas e reológicas de asfalto puro e modificado com SBS linear e SBS radial, de forma a interpretar e correlacionar os resultados obtidos com o desempenho do ligante. São realizados testes em amostras com mesmo teor de polímero para dois tipos de SBS, com e sem adição de óleo aromático, antes e depois de envelhecimento em laboratório. PARTE EXPERIMENTAL Foram preparadas amostras de asfalto modificado a partir de um CAP 50/70 da Refinaria São José dos Campos em São Paulo. Os polímeros utilizados foram Coperflex TR 1073, SBS linear, e Coperflex TR 4071, SBS radial, da Petroflex Ind. & Com. S.A., sendo copolímeros em bloco, contendo 30% de estireno e na forma de crumbs. A Tabela 1 apresenta as características e propriedades dos materiais utilizados. As misturas asfalto-polímero foram preparadas segundo seguinte procedimento: aquecimento do CAP a 160°C em recipiente adequado, adição lenta do polímero (por cerca de 5 minutos) sob agitação em misturador de alto cisalhamento (HSM-100lC, Ross) a 1500 rpm e agitação por 15 minutos, aumento da rotação para 5000 rpm e manutenção por 40 minutos nesta agitação a uma temperatura entre 180-190°C. A quantidade de SBS adicionada foi equivalente a 3,5% do asfalto. Nos casos de adição de óleo aromático para melhora de compatibilidade polímero-asfalto, o mesmo foi misturado ao CAP antes da adição do polímero, sob agitação a 500 rpm por 10 minutos.

Tabela 1 – Características e propriedades do asfalto e polímeros utilizados

CAP 50-70 TR 1073 TR 4071 Penetração, dmm 51 Ponto de amolecimento, °C 47 Viscosidade Brookfield, cP a 135°C 425 Peso Molecular Ponderal Médio 157169 353164 Polidispersão 1,077 1,086 Teor de dibloco, % - 14 Viscosidade de solução a 25% em tolueno, cP

3450

Índice de Fluidez, 200°C/5 kg, g/10min

0,17 0

Estireno combinado, % 29,5 30,1 Módulo a 300%, Mpa 2,2 3,0 Tensão de ruptura, Mpa 20,5 16,5 Alongamento de ruptura, % 750 660 Dureza, Shore A 71 82

Foram preparadas quatro amostras, duas com SBS linear e duas com SBS radial. Para cada tipo de SBS uma das amostras foi preparada sem adição de óleo aromático e a outra com 2% de óleo aromático. A identificação utilizada foi: L1: amostra com SBS linear sem óleo, L2: amostra com


SBS linear sem óleo, R1: amostra com SBS radial sem óleo e R2: amostra com SBS radial com óleo. Cada mistura foi analisada em microscópio ótico de fluorescência (CX41, Olympus) para verificação da compatibilidade entre polímero e asfalto. Foram realizadas as seguintes análises convencionais das amostras preparadas: Penetração – método ASTM D5, Ponto de amolecimento – método ASTM D36, Viscosidade Brookfield – método ASTM D4402 e Recuperação elástica pelo dutilômetro – método ASTM 6084-97. Foi também realizado envelhecimento em estufa RTFO segundo método ASTM D 2872-85, para as amostras sem óleo. Este envelhecimento simula as condições de usinagem pela qual passa o ligante asfáltico. As misturas foram analisadas em reômetro de cisalhamento dinâmico, DSR, (CSA II, TA) para avaliação do comportamento viscoelástico do asfalto, através da aplicação de uma tensão de cisalhamento oscilatória com variação de freqüência, que permite a determinação de parâmetros fundamentais, como o módulo complexo G*, o módulo elástico G’, módulo viscoso G’’, o ângulo de fase (delta) e viscosidade. Os testes foram realizados a temperatura de 55°C e freqüência na faixa de 0,1 a 200 rad/s, condições bem próximas às condições de trabalho do asfalto em rodovias. As amostras foram também analisadas segundo metodologia SUPERPAVE para acompanhamento do parâmetro em G*/senδ em função da temperatura para amostras antes e depois de envelhecimento em estufa RTFO. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 1 ilustra a imagem obtida por microscopia de fluorescência das amostras modificadas com SBS linear e radial. Apesar de nenhuma das amostras mostrar uma compatibilização excelente, observa-se uma melhora na compatibilização do SBS linear em relação ao radial para as mesmas condições de mistura. Também fica evidenciada a melhora da compatibilização com a adição de óleo. Na verdade, seria indicada uma melhor dispersão, possivelmente com maior tempo de mistura. Entretanto, como as propriedades das amostras foram consideradas satisfatórias, o estudo do efeito do tempo de dispersão será feito posteriormente.

Figura 1 – Fotomicrografias de fluorescência do asfalto modificado: amostras L1, L2, R1 e R2.

L1 L2

R2R1


A Tabela 2 apresenta as propriedades das amostras analisadas. Observa-se a redução da penetração em função da adição do polímero, confirmando o aumento esperado da rigidez do ligante, o que minimiza a deformação do pavimento. O aumento do ponto de amolecimento que se verifica com a adição dos polímeros reduz problemas de plastificação e deformação do pavimento por escoamento do ligante asfáltico. Já o uso de plastificantes causa aumento da penetração em relação à mistura asfalto/polímero, o que muitas vezes é realizado para atingir a especificação do ligante modificado. Este aumento da penetração se dá em função do efeito plastificante do óleo. Por este mesmo efeito há queda no ponto de amolecimento. Para atendimento da especificação requerida há que ser feito um ajuste destas propriedades, muitas vezes com a adição de óleo.

Tabela 2 – Propriedades das amostras de asfalto puro e modificado L1 R1 L2 R2

% DE ÓLEO AROMÁTICO 0 0 2 2 PROPRIEDADE

PENETRAÇÃO, dmm 40 36 45 47 PONTO DE AMOLECIMENTO °C 53 61 51 58 RECUPERAÇÃO ELÁSTICA, % 78 83 79 80

A variação da viscosidade Brookfield com a temperatura para as amostras pode ser visualizada na Figura 2. O aumento da viscosidade, que normalmente acompanha a adição de polímeros, foi verificado, tendo sido encontrados valores mais elevados para a amostra modificada com SBS radial. O aumento de viscosidade propicia a formação de filmes mais espessos sobre o agregado, melhorando a adesividade dos mesmos e proporcionando melhor resistência a umidade e as intempéries para o pavimento. De uma forma geral, mesmo com uma pior compatibilidade, evidenciada pela microscopia, o asfalto modificado com SBS radial apresentou resultados superiores aos modificados com SBS linear.

Figura 2 – Variação da viscosidade Brookfield do CAP e amostras L1, L2, R1 e R2 com a temperatura.

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

1000,0

1200,0

1400,0

1600,0

130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180

Temperatura, °C

Visc

osid

ade,

cP

CAP L1 R1 L2 R2


Em testes de varredura de freqüência por DSR, verificou-se um aumento do módulo complexo, G*, que evidencia a melhora da resistência a deformação do asfalto modificado. Importante salientar que o intervalo de freqüência estudado simula o tráfico normal, sendo encontradas em literatura (Specht, L et al, (2002)) informação de que freqüências de 10 rad/s estão relacionadas à velocidade de automóveis a 90 km/h e de 1 rad/s, a 8 km/h. O aumento de elasticidade do produto fica evidenciado pela redução observada nos valores de tan delta. Observa-se que os valores mais baixos de tan delta e mais elevados de módulo complexo com o uso do SBS radial (TR 4071) no ligante R1, evidenciando uma ação mais efetiva deste polímero na modificação do CAP (vide Figura 3).

Figura 3 – Variação do (tan delta) (a) e [G*] (b)em função da freqüência para o asfalto puro (CAP) e modificado com SBS linear (L1) e radial (R1)

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

1 10 100 1000

Frequência, rad/s

Mód

ulo

Com

plex

o, G

*, Pa

1

10

100

1 10 100 1000

Frequencia, rad/s

tan

delta

CAP L1 R1

(a)

(b)


As amostras foram analisadas em DSR segundo metodologia Superpave para avaliação do grau de desempenho (PG) em alta temperatura. Esta análise indica a temperatura máxima na qual o ligante pode ser submetido de forma a manter ainda suas características. Neste método são avaliadas características reológicas nas temperaturas de 52, 58, 64, 70 e 76°C, em freqüência de 10 rad/s e uma deformação de 12%. Pela especificação o PG é a temperatura na qual o valor de G*/ senδ é superior a 1,0 kPa antes do RTFOT e superior a 2,2 KPa após o RTFOT. O teste em RTFO é muito usado para avaliar o efeito do envelhecimento de asfalto, simulando o efeito da usinagem. Duas reações ocorrem paralelamente durante este processo em asfaltos modificados: o processo de oxidação da base asfáltica, com aumento do teor de asfaltenos, e a degradação do polímero, com redução do peso molecular dos modificadores poliméricos. O efeito final sobre o asfalto dependerá, portanto, da extensão destas reações. Nas análises realizadas verificou-se para o CAP puro um PG de 64, para a amostra L1 modificada com SBS linear um PG de 70°C e para a amostra R1 modificada com SBS radial, um PG de 76° C. Assim, verifica-se que o SBS aumentou o PG do asfalto, indicando uma melhora na resistência à deformação permanente do CAP avaliado, com a amostra R1 evidenciando um melhor desempenho com relação à resistência a deformação permanente. Estes resultados podem ser vistos nas Figuras 4 e 5.

Figura 5 – Variação de [G*]/sen δ com a temperatura para o CAP e as misturas L1e R1 antes da RTFOT determinada por DSR

Apesar dos CAP’s modificados apresentarem o mesmo grau de desempenho(PG), pode-se evidenciar um maior valor para o parâmetro G*/ senδ para a amostra com SBS radial, que corresponde a uma melhor resistência a deformação deste ligante. Este melhora no desempenho parece ter diminuído com o envelhecimento, indicando uma menor resistência ao processo de envelhecimento, a qual pode estar relacionada a pior dispersão do produto no asfalto.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

50 55 60 65 70 75 80 85

Temperatura, °C

G*/s

en δ

, kPa

CAP L1 R1


Figura 5 – Variação de [G*]/sen δ com a temperatura para o CAP e as misturas L1e R1 antes da RTFOT determinada

por DSR A Figura 6, que ilustra a variação de tan delta com a temperatura em teste realizado nas condições SUPERPAVE para produto não envelhecido, pode-se evidenciar a menor variação da tan delta com a temperatura para as amostras com polímeros, indicando a menor susceptibilidade térmica do material modificado em relação ao CAP puro. Observa-se também a formação de um plateau, normalmente atribuída a formação de uma rede polimérica dentro da massa asfáltica.

Figura 6 – Variação da tan delta com a temperatura para o CAP e amostras L1 e R1 como produzidas em análise segundo metodologia SUPERPAVE em DSR

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

59 64 69 74 79 84

Temperatura, °C

tan

delta

CAP L1 R1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55 60 65 70 75 80 85

Temperatura, °C

G*/

sen

delta

CAP L1 R1


CONCLUSÕES Com base nos testes realizados verifica-se que ocorre uma melhoria na elasticidade, na resistência a abrasão e na maior resistência ao fluxo do asfalto modificado com copolímero em bloco de estireno-butadieno-estireno (SBS). É possível evidenciar melhora com o uso do SBS radial em relação a SBS linear, o que fica evidenciado tanto pelas análises convencionais como pelas análises reológicas, salientando-se a indicação de possibilidade de uso da mistura R2 em temperatura mais elevada que a mistura R1, segundo metodologia Superpave. É importante salientar que este melhor desempenho foi atingido mesmo com uma má dispersão do polímero. Sugerimos que sejam os testes sejam repetidos com otimização do preparo de mistura. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AIREY, G. Rheological properties of styrene butadiene styrene polymer modified road bitumens. Fuel v.82, p.1709-1719, 2003. FERNANDES, M. Characterization of styrene-butadiene-styrene copolymer modified bitumens. In: PPS 2004 Americas Regional Meeting, 2004. Florianópolis, Brazil. ODA, S. Análise da viabilidade técnica da utilização de ligante asfalto-borracha em obras de pavimentação. São Carlos. 2000. Tese ( Doutorado em Engenharia de Transportes) – Universidade de São Paulo. POLLACO, G, et al. Effect of SBS on Rheological Properties of Different Base Asphalts. Macromol. Symp. 218, p. 333-342, 2004. SILVA, L.S. Contribuição ao estudo do envelhecimento de ligantes asfálticos. Influência da adição de polímeros e comportamento frente a radiação UV. Porto Alegre. 2005. 137p. Tese ( Doutorado em Engenharia) – Escola de Engenharia de São Carlos. SPECHT, L. et al. Polímeros como Modificadores Asfálticos, Transportes, v. 10, n. 01, p. 84-106, 2002

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