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ENVELHECIMENTO DE BETUMES EM SERVIÇO EM PAVIMENTOS FLEXÍVEIS – EN2 E IP2 NAS VARIANTES A CASTRO VERDE

Margarida Sá da Costa1, Pedro Domingos2, António Correia Diogo3, Maria de Lurdes Antunes4

1 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Departamento de Materiais, Av. do Brasil, 101, 1700-066 Lisboa, Portugal

email: mcosta@lnec.pt http://www.lnec.pt 2 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Departamento de Transportes, Av. do Brasil, 101, 1700-066 Lisboa, Portugal

3 Instituto Superior Técnico da Universidade de Lisboa, Departamento de Engenharia Química, Av. Rovisco Pais, 1049-011 Lisboa, Portugal 4 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Conselho Diretivo, Av. do Brasil, 101, 1700-066 Lisboa, Portugal

Sumário

O estado de envelhecimento dos betumes das camadas de desgaste de secções da EN2 e do IP2, nas variantes a Castro Verde, Distrito de Beja, com cerca de dezanove anos de serviço, foi avaliado mediante propriedades de especificação de produto relativas à consistência e propriedades reológicas determinadas por ensaios de espectrometria mecânica. No caso da EN2, fez-se uma análise comparativa entre betumes de secções com e sem fendilhamento; determinaram-se também os módulos de deformabilidade das misturas betuminosas. Relativamente ao IP2, analisaram-se as propriedades dos betumes ao longo da profundidade da camada de desgaste. Por último, procedeu-se à avaliação comparativa entre os estados de envelhecimento dos betumes das camadas de desgaste e de betumes envelhecidos em condições artificiais.

Palavras-chave: Betume; mistura betuminosa; envelhecimento; reologia.

1 INTRODUÇÃO

O betume reúne um conjunto de propriedades que o tornam num produto de excelência para a aplicação nas infraestruturas rodoviárias em misturas betuminosas para diferentes camadas – desgaste, regularização e base – ou na ligação entre camadas. Realçam-se as suas propriedades aglomerantes, adesivas e hidrófugas, aliadas à sua capacidade de resposta frente às solicitações térmicas e mecânicas impostas pelo meio que o rodeia enquanto parte integrante dos pavimentos rodoviários.

O betume passa, ao longo da sua vida, por um processo de envelhecimento devido às interações que estabelece com o ambiente (fatores atmosféricos e tráfego) e que têm repercussões no seu comportamento e consequentemente no da mistura betuminosa. O envelhecimento dos betumes está normalmente associado a duas fases: fase construtiva, que inclui o fabrico da mistura betuminosa a quente e seu armazenamento, transporte e colocação em obra; fase de serviço, enquanto constituinte de uma camada do pavimento. Esta distinção faz sentido pelos fatores envolvidos, nomeadamente, temperatura e acessibilidade do oxigénio atmosférico, que impõem ambientes com severidades diferentes e, consequentemente, conduzem a diferentes evoluções da composição química, da microestrutura e das propriedades físicas do betume. Neste processo evolutivo há que considerar não só as propriedades intrínsecas do betume, como também, as propriedades dos agregados e das misturas betuminosas (porosidade e intercomunicação dos vazios) e o posicionamento da mistura enquanto camada do pavimento (ex. camada de desgaste).

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A conjugação de todas estas variáveis torna o envelhecimento dos betumes num processo complexo e impossível de ser reproduzido em laboratório de forma universal. Contudo, dada a importância do conhecimento sobre o efeito do envelhecimento nas propriedades dos betumes e da avaliação da sua resistência ao envelhecimento, tem-se desenvolvido diversos procedimentos laboratoriais que, de algum modo (i.e. através da temperatura, atmosferas oxidativas, espessura dos filmes de betumes, etc.), procuram simular o envelhecimento que ocorre durante a exposição natural nas fases construtiva e de serviço do pavimento. Atualmente existem metodologias de envelhecimento artificial acelerado que já estão implementadas ao nível das especificações de produto e outras com grande impacto nos meios técnicos e científicos.

O conhecimento do estado, ou seja, das propriedades dos betumes envelhecidos que se encontram nos pavimentos da rede rodoviária nacional é de primordial importância na medida em que permite avaliar a durabilidade dos betumes do nosso mercado e o impacto da exposição natural comparativamente às condições impostas em procedimentos de envelhecimento artificial. O interesse no conhecimento do estado de envelhecimento dos betumes alarga-se até ao domínio da reciclagem, assinalando a necessidade da análise mais aprofundada do betume a reciclar com o intuito, designadamente, de operar com maiores taxas de reciclagem.

O trabalho que aqui se apresenta insere-se no âmbito dos estudos que o LNEC tem desenvolvido na área do envelhecimento e da regeneração de betumes e da observação do comportamento de pavimentos a longo prazo, tendo como principal objetivo dar a conhecer a avaliação do estado de envelhecimento dos betumes em pavimentos rodoviários flexíveis nacionais que entraram em serviço na década de 90 do século XX. O estudo foi conduzido com três objetivos específicos: avaliar a contribuição do envelhecimento do betume para o fendilhamento da camada de desgaste; avaliar gaus de envelhecimento do betume em termos da profundidade da camada do pavimento; avaliar os estados de envelhecimento dos betumes após exposição em condições naturais face aos obtidos em ambiente artificial.

O LNEC tem vindo a acompanhar as diferentes fases do ciclo de vida de várias secções dos pavimentos rodoviários flexíveis do IP2 e da EN2, nas variantes a Castro Verde, no Distrito de Beja, incluindo: a conceção, o dimensionamento, a construção e a entrada em serviço (1990); a realização de campanhas de observação do comportamento ao longo do tempo. Em 2009 fez-se uma inspeção visual que permitiu o levantamento das anomalias dos pavimentos, tendo-se constatado na EN2 a existência de fendilhamento por fadiga com origem à superfície da camada de desgaste. Paralelamente, recolheram-se carotes que permitiram, para além da realização de ensaios de compressão diametral, a extração e recuperação do betume da camada de base e de desgaste de diferentes zonas para posterior caracterização da composição química, da estrutura e das propriedades reológicas.

No que diz respeito à EN2, recolheram-se carotes de zonas que se diferenciavam visualmente à superfície pela presença ou ausência de fendilhamento, com o objetivo de fazer uma avaliação comparativa entre essas zonas, quer em termos dos módulos de deformabilidade das misturas betuminosas, quer em termos das propriedades dos betumes, nomeadamente, da penetração com agulha e da temperatura de amolecimento e de funções materiais relevantes para a análise do comportamento viscoelástico. No presente trabalho apresentam-se os resultados referentes à camada de desgaste.

Relativamente ao IP2, as camadas de desgaste de diferentes carotes foram seccionadas de modo a proceder-se a uma extração seletiva do betume da zona superior (mais exposta ao ar) e da zona inferior (acima da camada de base) com o objetivo de avaliar o efeito do envelhecimento ao longo da profundidade da camada. Neste trabalho apresentam-se os resultados obtidos na caracterização dos betumes extraídos e recuperados das misturas betuminosas em termos de penetração com agulha, temperatura de amolecimento e das propriedades reológicas.

Numa outra fase do trabalho, fez-se uma avaliação comparativa entre as propriedades dos betumes extraídos e recuperados dos dois pavimentos e as propriedades de betumes envelhecidos em laboratório. Selecionaram-se betumes do tipo 50/70 para envelhecer, dado que os betumes utilizados nas misturas das camadas de desgaste dos pavimentos considerados eram, na altura da sua construção, do tipo 60/70. Os betumes 50/70 foram primeiramente envelhecidos mediante o Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT), desenvolvido para simular o envelhecimento decorrente da fase construtiva, mais especificamente, durante o fabrico a quente das misturas betuminosas. Este é o método que está implementado nas especificações europeias de betumes de pavimentação [1] para avaliação da resistência ao envelhecimento na fase construtiva. Para a segunda fase do envelhecimento

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procedeu-se ao condicionamento numa câmara sob pressão de ar - Pressure Aging Vessel (PAV). Este último condicionamento tem tido uma utilização bastante difundida, dentro e fora da Europa, e é um candidato para a futura geração das especificações europeias dos betumes baseadas no desempenho.

2 BREVE DESCRIÇÃO DOS PAVIMENTOS DA EN2 E DO IP2

As estruturas originais dos pavimentos rodoviários flexíveis da EN2 e do IP2, nas variantes a Castro Verde, no Distrito de Beja, são apresentadas na Fig. 1. Em termos geométricos, a secção transversal de ambas as estradas, é composta por uma faixa de rodagem com duas vias em cada sentido (1 × 2).

Fig.1. Estrutura dos pavimentos das secções de: a) IP2; b) EN2

No Quadro 1 apresentam-se as características consideradas e calculadas, na fase de dimensionamento das misturas betuminosas da EN2 e do IP2 [2,3,4].

Quadro 1. Características das misturas betuminosas adotadas na fase de dimensionamento

Camada Tb Va Vb Vv tc Tp

IP Sb Em

(%) (s) (ºC) (MPa)

Desgaste 5,0 a 5,5 83 13 4 0,014 26 - 0,14 16 3000

Base 4,4 82 10 8 0,015 23 / 24 - 0,15 22 3000

Legenda: Tb – Teor em betume; Va – Percentagem volumétrica de agregados; Vb – Percentagem volumétrica de betume; Vv – Percentagem volumétrica de vazios; tc – Tempo de carga; Tp – Temperatura de projeto; IP – Índice de penetração; Sb – Rigidez do betume; Em – Módulo de deformabilidade da mistura betuminosa; Tp – Temperaturas de projeto para a camada de base com 0,10 m e 0,12 m de espessura, respetivamente.

b)

1 Camada de desgaste em betão betuminoso2 Camada de base em macadame betuminoso3 Camada de base granular4 Camada de sub-base granular

1 Camada de desgaste em betão betuminoso2 Camada de base em macadame betuminoso3 Camada de base granular4 Camada de sub-base granulara)

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Os elementos relativos ao tráfego de veículos pesados, para as secções em apreço, constam no Quadro 2. Esses dados, têm como origem a informação recolhida nos postos de contagem da concessionária Estradas de Portugal (EP), que se identificam no respetivo quadro.

No Quadro 3 indicam-se os valores estimados para o número acumulado de veículos pesados (NAVP), referente a um período temporal de 10 anos (1990 a 1999). Essa estimativa teve como dados de base a informação recolhida em três contagens de tráfego, das quais se observa que não existe uma clara tendência de crescimento ou decréscimo, pelo que se admitiu que o tráfego seria constante durante o período em análise, sendo que o tráfego médio diário anual de veículos pesados, corresponde ao valor médio das três contagens [5].

Quadro 2. Elementos relativos ao tráfego de veículos pesados

Estrada Ano de

entrada em serviço

Posto de contagem EP

TMDA p (2 sentidos)

1993 1994 1995 1996 1997 1999

IP2 1990 760 - 242 - - 244 -

EN2 1990 763 216 - - 228 - 191

Legenda: TMDAp – Tráfego médio diário anual de pesados.

Quadro 3. Número total estimado de veículos pesados para o período de 1990 a 1999

Estrada TMDA p

TMDA pméd. Anos

de serviço

NAVP 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999

IP2 120 120 120 120 121 116 120 122 120 120 120 10 4,38×105

EN2 106 106 106 108 106 106 114 106 106 96 106 10 3,87×105

Legenda: TMDAp – Tráfego médio diário anual de pesados; TMDApméd. – Valor médio do tráfego médio diário anual de pesados; NAVP – Número acumulado de veículos pesados.

Valores estimados.

3 MATERIAIS E METODOLOGIAS

3.1 Misturas betuminosas

As carotes das misturas betuminosas foram obtidas através de sondagens à rotação, Fig.2.a) e Fig.2.b), em secções do IP2 e da EN2, nas variantes a Castro Verde, no Distrito de Beja. Essas sondagens foram realizadas sempre na mesma via de circulação. No caso do IP2, a via corresponde ao sentido de circulação do tráfego Sul � Norte, enquanto que, na EN2 corresponde ao sentido Oeste � Este.

No que concerne à EN2, a recolha de carotes incidiu em secções que se diferenciavam visualmente à superfície pela existência ou ausência de fendilhamento, Fig.2.c). Assim, recolheram-se carotes em duas secções com fendilhamento, identificadas por 1F e 2F (Quadro 4), e também numa secção sem fendilhamento (1S), com o objetivo de efectuar uma análise comparativa das propriedades das misturas betuminosas e do estado de envelhecimento dos betumes. Para efectuar os ensaios mecânicos nas misturas betuminosas, as carotes das secções 1F e 2F foram recolhidas em zonas junto às fendas.

As localizações das secções onde as sondagens foram levadas a cabo nas duas estradas constam no Quadro 4. As secções e as correspondentes carotes foram identificadas com as mesmas siglas conforme se apresenta no Quadro 4.

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As carotes recolhidas na EN2 e no IP2 foram cortadas para a separação das camadas de desgaste e de base de modo a que estas possam ser caracterizadas isoladamente. Neste trabalho apenas se apresentam os resultados das camadas de desgaste.

Fig.2. a) Sondagem à rotação no IP2; b) Sondagem à rotação na EN2; c) Zona com fendilhamento, tipo pele de crocodilo, na EN2 (secção 1F)

Quadro 4. Secções das estradas onde foram efetuadas as sondagens

Estradas Ponto quilométrico Identificação das secções (1) Observações

EN2

641+600 1F Secção com fendilhamento

641+690 1S Secção sem fendilhamento

641+795 2F Secção com fendilhamento

IP2

389+750 S1 -

389+670 S2 -

389+610 S3 -

389+535 S4 -

(1) As carotes têm a mesma identificação das secções do pavimento

Relativamente ao IP2, as camadas de desgaste das várias carotes foram ainda cortadas de modo a obter-se a parte do topo (exposta ao ar) e a parte do fundo (imediatamente acima da camada de base). Nas camadas com mais de 60 mm de espessura, considerou-se uma parte adicional referente ao meio (Fig.3). Este seccionamento das camadas de desgaste tem como objetivo fazer a extração seletiva do betume e avaliação do seu envelhecimento em termos de profundidade da mistura betuminosa.

Fig.3. Corte das camadas de desagaste das carotes do IP2 em duas ou três partes

3.2 Betumes

3.2.1 Betumes extraídos e recuperados das misturas betuminosas

A extração dos betumes das misturas betuminosas relativas às camadas de desgaste retiradas das carotes dos pavimentos da EN2 e do IP2 foi efetuada com tolueno seguindo o método de ensaio ASTM D2172 [6] – método A. A recuperação dos betumes a partir dos extratos de tolueno foi efetuada de acordo com o método ASTM D5404 [7].

Topo

Meio

Fundo

Topo

h ≥ 60 mm

h < 60 mm

Fundo

a) b) c) a) b)

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No caso da EN2, as extrações partiram das misturas betuminosas das camadas de desgaste integrais, tendo-se identificado os betumes com a mesma designação utilizada para a identificação das camadas de desgaste (Quadro 5), as quais, por sua vez, têm a mesma identificação que foi dada às carotes (Quadro 4).

Quadro 5. Identificação dos betumes extraídos e recuperados das camadas de desgaste

Pavimento Identificação das camadas de desgaste (1) Identificação dos betumes

EN2

1F 1F

1S 1S

2F 2F

IP2

S1+S4 nas partes do topo+meio B1-T

S1+S4 na parte do fundo B1-F

S1+S2+S3 nas partes do topo+meio B2-T

S1+S2+S3 na parte do fundo B2-F

(1) As camadas de desgaste têm a mesma identificação das carotes (Quadro 4)

Relativamente ao IP2, as extrações partiram das misturas betuminosas de partes das camadas de desgaste (topo, meio ou fundo) de acordo com o anteriormente descrito (ver 3.1). No entanto, dado que a quantidade de betume recuperada não era suficiente para a realização dos ensaios de caracterização tiveram que se constituir amostras através da mistura dos betumes provenientes das mesmas partes das camadas de desgaste provenientes de diferentes carotes. Assim, fizeram-se misturas de betumes provenientes das partes do fundo das camadas de desgaste de diferentes carotes e outras misturas de betumes provenientes das partes do topo, podendo também incluir as partes do meio. Os betumes resultantes dessas misturas estão identificados no Quadro 5.

3.2.2 Betumes envelhecidos artificialmente

Selecionaram-se dois betumes do tipo 50/70 (identificados neste trabalho por 50/70-A e 50/70-B), com diferentes resistências ao envelhecimento, que foram submetidos a envelhecimento artificial. Primeiramente envelheceram-se os betumes mediante o Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT), de acordo com o método da NP EN 12607-1 [8]; seguidamente, os resíduos obtidos do RTFOT foram condicionados numa câmara (PAV, Pressure Ageing Vessel) com pressão de ar de 2,1 MPa, à temperatura de 100ºC, durante 20 h, de acordo com o método da EN 14769 [9].

3.3 Ensaios de caracterização

3.3.1 Caracterização mecânica das misturas betuminosas

Foram realizados ensaios de compressão diametral ou tração indireta, Fig.4.a), nas camadas de desgaste retiradas das carotes provenientes da EN2 com o objetivo de determinar os módulos de deformabilidade e avaliar a sua variação com a temperatura: 5ºC, 15ºC, 20ºC, 30ºC e 40ºC. Os ensaios foram realizados de acordo com o anexo C da Norma Europeia EN 12697-26 [10].

3.3.2 Caracterização dos betumes

Determinou-se a penetração com agulha, a 25ºC, e a temperatura de amolecimento, pelo método do anel e bola, dos betumes extraídos e recuperados das camadas de desgaste, identificados no Quadro 5, e dos betumes 50/70-A e 50/70-B antes a após os condicionamentos de envelhecimento (ver secção 3.2.2). Os ensaios foram realizados, respetivamente, de acordo com as normas NP EN 1426 [11] e NP EN 1427 [12].

A caracterização reológica por espectrometria mecânica dos vários betumes foi efetuada num reómetro rotacional, Bohlin Gemini 200 (Malvern), no intervalo de frequências entre 0,1 rad/s e 100 rad/s e em condições

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20660

14900

11600

6770

3250

20130

1481011930

68703310

19700

14120

11020

6080

32900

5000

10000

15000

20000

25000

30000

5ºC 15ºC 20ºC 30ºC 40ºC

Mód

ulo

de d

efor

mab

ilida

de (M

Pa)

Temperatura de ensaio

EN2 | Camada de desgaste

EN2-1F EN2-1S EN2-2F

isotérmicas. As temperaturas selecionadas foram: 20ºC, 30ºC, 40ºC, 50ºC e 60ºC. As medições foram realizadas sob tensão controlada, na região de comportamento viscoelástico linear, utilizando a configuração de pratos paralelos, com 8 mm de diâmetro (PP8), para as temperaturas até 40ºC, e com 20 mm de diâmetro (PP20), para as temperaturas de 50ºC e 60ºC. O hiato entre pratos paralelos variou entre 1 mm e 2 mm. Para a realização dos ensaios seguiram-se indicações da EN 14770 [13], nomeadamente, no que se refere à preparação dos provetes.

Fig.4. Equipamentos de ensaio existentes no LNEC: a) Compressão diametral; b) Reómetro

A caracterização por espectrometria mecânica consistiu na medição das funções materiais relevantes para a análise do comportamento viscoelástico dos betumes. Determinou-se diretamente o módulo de distorção dinâmico G(ω), que inclui duas componentes: uma elástica, o “módulo conservativo” G’(ω), e uma dissipativa, o “módulo dissipativo”, G”(ω). A partir dos valores experimentais obtidos é possível calcular outras funções materiais características, como por exemplo, a viscosidade complexa. As curvas representando o módulo da viscosidade complexa podem ser consideradas como representativas do comportamento não-newtoniano da viscosidade em escoamento [14]. No presente trabalho apresentam-se os valores do módulo da viscosidade complexa, |η*|, e do módulo conservativo dos betumes ensaiados às diferentes temperaturas.

4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

4.1 Misturas betuminosas e betumes das camadas de desgaste da EN2

Os módulos de deformabilidade das misturas betuminosas das camadas de desgaste de secções da EN2 com fendilhamento (1F e 2F) e sem fendilhamento (1S) são apresentados na Fig.5. Os valores dos módulos, tal como expectável, vão diminuindo com o aumento da temperatura. Constata-se também que os módulos da mistura betuminosa da camada de desgaste da zona sem fendilhamento estão, na maior parte dos casos, dentro dos intervalos delimitados pelos módulos das misturas relativas às camadas de zonas com fendilhamento.

Fig.5. Módulos de deformabilidade das misturas betuminosas das camadas de desgaste da EN2 a diferentes temperaturas

Os betumes extraídos e recuperados das camadas de desgaste da EN2 não se distinguem em termos de temperatura de amolecimento (Quadro 6) e têm penetrações da mesma ordem de grandeza, detetando-se apenas um certo afastamento do valor da penetração do betume 2F em relação aos dos restantes.

a) b)

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Quadro 6. Penetração e temperatura de amolecimento dos betumes das camadas de desgaste da EN2 e do IP2 e dos betumes 50/70 antes e após envelhecimento em laboratório

Pavimento Betumes Penetração a 25ºC [0.1 mm] Temperatura de amolecimento [ºC]

EN2

1F 8 86.6

1S 8 86.6

2F 11 87.6

IP2

B1-T 12 73.8

B1-F 17 67.8

B2-T 9 79.1

B2-F 12 70.8

- 50/70-A 55 50.0

- 50/70-A envelhecido (1) 24 57.6

- 50/70-B 56 50.8

- 50/70-B envelhecido (1) 17 68.2

(1) Envelhecimento: RTFOT + PAV

A caracterização reológica dos betumes através do módulo conservativo e da viscosidade complexa a diferentes temperaturas (Fig.6) mostra os seguintes aspetos: os betumes 1S e 1F, provenientes de secções, respectivamente, sem e com fendilhamento, têm curvas coincidentes; os betumes 1F e 2F, ambos oriundos de secções com fendilhamento, têm distintos valores do módulo conservativo e da viscosidade complexa, cujo desfasamento se vai acentuando com o aumento da temperatura.

Fig.6. Módulo conservativo e viscosidade complexa (em módulo) dos betumes das camadas de desgaste da EN2 a diferentes temperaturas (20ºC, 30ºC, 40ºC, 50ºC e 60ºC)

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

|η*| (Pa.s)

ω (rad/s)

|Viscosidade complexa|

1,00E+01

1,00E+02

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

G' (Pa)

ω (rad/s)

Módulo conservativo

1,00E+031,00E+041,00E+051,00E+061,00E+071,00E+081,00E+09

1,00E-021,00E+001,00E+02

1F 1S 2F

1F 1S 2F

1F 1S 2F

1F 1S 2F

1F 1S 2F

T = 40ºC

T = 20ºC

T = 60ºC

T = 30ºC

T = 50ºC

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Os resultados obtidos revelam que o nível de envelhecimento dos betumes em secções com fendilhamento pode ser o mesmo que o encontrado em secções sem fendilhamento. Confirma-se, assim, que o envelhecimento não é condição única para o aparecimento e evolução do fendilhamento à superfície das camadas de misturas betuminosas.

4.2 Betumes das camadas de desgaste do IP2

Através da análise dos valores da penetração e da temperatura de amolecimento apresentados no Quadro 6 constata-se que os betumes extraídos e recuperados das camadas de desgaste do IP2 têm consistências diferentes. Os betumes do topo das camadas (B1-T e B2-T), apesar de haver diferenças entre eles, têm uma consistência mais dura, ou seja, têm menores penetrações e maiores temperaturas de amolecimento, que os betumes correspondentes à parte inferior (B1-F e B2-F) das camadas de desgaste. Os betumes podem ser ordenados do seguinte modo, começando pelo betume mais duro: B2-T > B1-T > B2-F > B1-F.

Estes resultados confirmam um envelhecimento dos betumes mais acentuado à superfície da camada, traduzido pelo seu endurecimento, devido à maior exposição a fatores promotores de alterações da composição química e da estrutura, como é o caso da temperatura, da acessibilidade do oxigénio e da radiação UV.

As curvas obtidas na caracterização reológica daqueles betumes a várias temperaturas, que constam na Fig.7, indicam que os betumes do topo das camadas de desgaste são os que têm maiores módulos e viscosidades. Deste modo, confirma-se o envelhecimento mais acentuado à superfície das camadas de desgaste. A ordenação dos betumes nos termos anteriores mantém-se quando se consideram quer o módulo conservativo quer a viscosidade complexa, independentemente da temperatura de ensaio.

Fig.7. Módulo conservativo e viscosidade complexa (em módulo) dos betumes das camadas de desgaste do IP2 a diferentes temperaturas (20ºC, 30ºC, 40ºC, 50ºC e 60ºC)

1,00E+01

1,00E+02

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

G' (Pa)

ω (rad/s)

Módulo conservativo

1,00E+02

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

|η*| (Pa.s)

ω (rad/s)

|Viscosidade complexa|

1,00E+011,00E+021,00E+031,00E+041,00E+051,00E+061,00E+071,00E+08

1,00E-021,00E+001,00E+02

B1-F B2-F B1-T B2-T

B1-F B2-F B1-T B2-T

B1-F B2-F B1-T B2-T

B1-F B2-F B1-T B2-T

B1-F B2-F B1-T B2-T

T = 40ºC

T = 20ºC

T = 60ºC

T = 30ºC

T = 50ºC

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4.3 Betumes envelhecidos artificialmente em comparação com os betumes das camadas de desgaste da EN2 e do IP2

O envelhecimento em laboratório, usando a sequência de condicionamentos RTFOT +PAV, dos dois betumes 50/70 provocou o seu endurecimento, com diminuição da penetração e aumento da temperatura de amolecimento, cujos valores se apresentam no Quadro 6. O betume 50/70-A envelhecido apresenta valores que não chegam a atingir os dos betumes das camadas de desgaste dos pavimentos da EN 2 e do IP2. No caso do betume 50/70-B, o seu envelhecimento, mais acentuado que o do 50/70-A, fez com que a sua consistência se aproximasse da do betume B1-F, que é o menos endurecido de entre os betumes recuperados das camadas de desgaste.

O envelhecimento ocorre no sentido do aumento da viscosidade e da componente elástica do módulo de distorção dinâmico. As curvas da viscosidade complexa e do módulo conservativo (Fig.8) dos betumes 50/70 envelhecidos em laboratório mantêm-se, no entanto, abaixo (no caso do 50/70-A) ou na fronteira (no caso do 50/70-B) das curvas relativas aos betumes recuperados das camadas de desgaste. Realça-se também que, de uma forma geral, com o aumento da temperatura há uma maior diferenciação entre o comportamento viscoelástico dos betumes: envelhecidos em laboratório e das camadas de misturas betuminosas.

Os resultados obtidos mostram a diferente evolução dos dois betumes 50/70, em que o 50/70-A se mostrou mais resistente ao envelhecimento que o 50/70-B. Por outro lado, verifica-se que o envelhecimento praticado em laboratório não foi suficiente para se atingir os estádios de envelhecimento mais avançados dos betumes das camadas de desgaste dos referidos pavimentos, com cerca de dezanove anos de serviço.

Fig.8. Módulo conservativo e viscosidade complexa (em módulo), a 20ºC, 40ºC e 50ºC, dos betumes das camadas de desgaste da EN2 e do IP2 e dos betumes 50/70 envelhecidos

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

|η*| (Pa.s)

ω (rad/s)

|Viscosidade complexa|, T = 20ºC

1F

1S

2F

50/70-B + RTFOT + PAV

B1-F

B2-F

B1-T

B2-T

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

|η*| (Pa.s)

ω (rad/s)

|Viscosidade complexa|, T = 40ºC

1F1S2F50/70-A + RTFOT + PAV50/70-B + RTFOT + PAVB1-FB2-FB1-TB2-T

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

|η*| (Pa.s)

ω (rad/s)

|Viscosidade complexa|, T = 50ºC

1F1S2F50/70-A + RTFOT + PAV50/70-B + RTFOT + PAVB1-FB2-FB1-TB2-T

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

G' (Pa)

ω (rad/s)

Módulo conservativo, T = 40ºC

1F1S2F50/70-A + RTFOT + PAV50/70-B + RTFOT + PAVB1-FB2-FB1-TB2-T

1,00E+02

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

G' (Pa)

ω (rad/s)

Módulo conservativo, T = 50ºC

1F1S2F50/70-A + RTFOT + PAV50/70-B + RTFOT + PAVB1-FB2-FB1-TB2-T

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

1,00E+07

1,00E+08

1,00E-02 1,00E+00 1,00E+02

G' (Pa)

ω (rad/s)

Módulo conservativo, T = 20ºC

1F

1S

2F

50/70-B + RTFOT + PAV

B1-F

B2-F

B1-T

B2-T

11

5 CONCLUSÕES

O estudo realizado permitiu avaliar o estado de envelhecimento dos betumes das camadas de desgaste de secções da EN2 e do IP2, nas variantes a Castro Verde, no Distrito de Beja, mediante propriedades de especificação de produto relativas à consistência (penetração com agulha e temperatura de amolecimento) e propriedades reológicas determinadas por ensaios de espectrometria mecânica (módulo conservativo e viscosidade complexa). O estudo foi conduzido com três objetivos específicos: avaliar a contribuição do envelhecimento do betume para o fendilhamento da camada de desgaste – o caso da EN2; avaliar graus de envelhecimento do betume em termos da profundidade da camada de desgaste – o caso do IP2; avaliar os estados de envelhecimento dos betumes após exposição em condições naturais, enquanto constituintes das camadas de desgaste da EN2 e do IP2, face aos obtidos através do envelhecimento artificial de betumes do tipo 50/70.

A avaliação dos betumes das camadas de desgaste de secções da EN2 que se diferenciavam visualmente pela presença ou ausência de fendilhamento permitiu concluir que o estado de envelhecimento dos betumes nestas secções era semelhante. Assim, não foi possível concluir que neste caso houvesse uma relação direta entre o envelhecimento do betume e o aparecimento do fendilhamento à superfície das camadas de misturas betuminosas.

A avaliação do estado de envelhecimento ao longo da profundidade das camadas de desgaste do IP2 permitiu confirmar que o envelhecimento à superfície é mais acentuado devido à maior exposição a fatores promotores de alterações da composição química e da estrutura, como é o caso da temperatura, da acessibilidade do oxigénio e da radiação UV.

O envelhecimento realizado em laboratório, seguindo a sequência de condicionamentos RTFOT+PAV, de dois betumes do tipo 50/70, com diferentes resistências ao envelhecimento, revelou-se menos drástico que os que ocorrem nos betumes das camadas de desgaste da EN2 e do IP2 após dezanove anos de serviço no pavimento.

6 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Infraestruturas de Portugal e, em particular, às engenheiras Maria de Fátima Gregório, Anabela Namorado, Sílvia Dias e Ana Cristina Santos, pelo acompanhamento dos trabalhos de campo e pelas condições proporcionadas para a realização dos mesmos.

Também é devido um agradecimento à Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), porque uma parte do presente trabalho foi realizado no âmbito do Doutoramento em Sistemas de Transportes, com o tema “Modelação do comportamento de pavimentos rodoviários flexíveis através de métodos incrementais. Contribuição para a melhoria dos métodos de Dimensionamento”, tendo sido financiado por esta entidade, através de uma bolsa de doutoramento, concedida ao autor Pedro Domingos.

Agradece-se também à Galp Energia pelo fornecimento de amostras de betume.

7 REFERÊNCIAS

1. Norma Portuguesa NP EN 12591, Betumes e ligantes betuminosos. Especificações para betumes de pavimentação, 2011, Instituto Português da Qualidade.

2. M.C. Azevedo, IP2 - Variantes às EN 2, 123 e 391, em Castro Verde. Estudos relativos à camada de regularização, Relatório JAE/LNEC, Lisboa, 1990.

3. M.C. Azevedo, IP2 - Variantes às EN 2, 123 e 391, em Castro Verde. Estudos relativos à camada de base, Relatório JAE/LNEC, Lisboa, 1990.

4. M.C. Azevedo, A. Pinelo, M. Prates, L. Pinelo, Estudos relativos ao pavimento do IP2, na variante de Castro Verde, Relatório JAE/LNEC, Lisboa, 1991.

5. M.L. Antunes, Observação do Comportamento de Trechos Piloto em Pavimentos Flexíveis Inseridos na Rede Rodoviária Nacional – 1992 a 1999, Relatório n.º 162/2005 – NIT, LNEC, Lisboa, 2005.

6. ASTM designation: D2172M, Standard Test Methods for Quantitative Extraction of Bitumen From Bituminous Paving Mixtures, 2011, American Chemical Society for Testing and Materials.

12

7. ASTM designation: D5404M, Standard Practice for Recovery of Asphalt from Solution Using the Rotary Evaporator, 2012, American Chemical Society for Testing and Materials.

8. Norma Portuguesa NP EN 12607-1, Betumes e ligantes betuminosos. Determinação da resistência ao envelhecimento sob influência do calor e do ar. Parte 1: Método RTFOT, 2010, Instituto Português da Qualidade.

9. European Standard EN 14769, Bitumen and bituminous binders. Accelerated long-term ageing conditioning by a Pressure Ageing Vessel (PAV), 2012, European Committee for Standardization.

10. European Standard EN 12697-26, Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt Part 26: Stiffness, 2012, European Committee for Standardization.

11. Norma Portuguesa NP EN 1426, Betumes e ligantes betuminosos. Determinação da penetração com agulha, 2010, Instituto Português da Qualidade.

12. Norma Portuguesa NP EN 1427, Betumes e ligantes betuminosos. Determinação da temperatura de amolecimento. Método do Anel e Bola, 2010, Instituto Português da Qualidade.

13. European Standard EN 14770, Bitumen and bituminous binders Determination of complex shear modulus and phase angle Dynamic Shear Rheometer (DSR), 2012, European Committee for Standardization.

14. W. P. Cox, E. H. Metz, Correlation of dynamic and steady shear flor viscosities, Journal of Polymer Science, 28, 619-622, 1958.