Utvikling og potensiale

v.2

São Carlos

2006

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento da Informação do Serviço de Biblioteca – EESC/USP

Faxina, Adalberto Leandro

F286e Estudo da viabilidade técnica do uso do resíduo de

2v óleo de xisto como óleo extensor em ligantes asfalto-

borracha / Adalberto Leandro Faxina; orientador Manoel Henrique Alba Sória. –- São Carlos, 2006.

Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação e Área de Concentração em Engenharia de Transportes -- Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo.

1. Ligantes asfálticos modificados. 2. Asfalto-

borracha. 3. Propriedades reológicas. 4. Envelhecimento. 5. Experimentos com misturas. 6. Superfície de resposta. I. Título.

SUMÁRIO

Volume 1

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO__________________________________________________________ 43

1.1.ESTABELECIMENTO DO PROBLEMA... 44 1.2.ASOLUÇÃO PROPOSTA:USO DO ÓLEO DE XISTO COMO ÓLEO EXTENSOR... 45 1.3.OREAPROVEITAMENTO DE PNEUS INSERVÍVEIS EM PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA... 45 1.4.MEIO AMBIENTE E LEGISLAÇÃO... 47 1.5.OS OBJETIVOS DA TESE... 48 1.6.OPROGRAMA LABORATORIAL DA TESE... 48 1.7.AESTRUTURA DO RELATÓRIO FINAL DA TESE... 49

CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE REOLOGIA DE LIGANTES ASFÁLTICOS__________________ 51

2.1.INTRODUÇÃO... 51 2.2.FUNDAMENTOS ACERCA DOS COMPORTAMENTOS ELÁSTICO,VISCOELÁSTICO E VISCOSO... 53 2.3.PARÂMETROS REOLÓGICOS APLICADOS NA PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA... 60

2.3.1. Introdução... 60 2.3.2. Caracterização reológica dos ligantes asfálticos nos regimes permanente e

oscilatório... 61 2.3.3. Caracterização viscoelástica dos ligantes asfálticos em regime oscilatório... 62 2.3.4. Rigidez dos ligantes asfálticos... 70 2.3.5. Consistência dos ligantes asfálticos... 72 2.3.6. Comportamento reológico dos ligantes asfálticos a baixas temperaturas... 77 2.4.MÉTODOS TRADICIONAIS DE CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA DE LIGANTES ASFÁLTICOS... 89

2.4.1. Limitações dos ensaios empíricos... 89 2.4.2. Medidas isoladas... 90 2.4.3. Parâmetros de suscetibilidade... 94 2.4.4. Nomogramas e suas inconveniências... 101 2.4.5. Índices de envelhecimento... 101 2.5.ESPECIFICAÇÕES PARA LIGANTES ASFÁLTICOS BASEADAS EM PROPRIEDADES REOLÓGICAS.... 103 2.5.1. Limitações das especificações baseadas em propriedades reológicas empíricas. 103

2.5.2. Especificação Superpave... 104 2.6.RELAÇÃO ENTRE AS PROPRIEDADES REOLÓGICAS DOS LIGANTES ASFÁLTICOS E O DESEMPE-

NHO DE PAVIMENTOS... 118 2.6.1. Reologia do ligante asfáltico e defeitos do pavimento... 118 2.6.2. Contribuição do ligante asfáltico à resistência à deformação permanente... 121 2.6.3. Contribuição do ligante asfáltico à resistência à fadiga devida ao tráfego... 124 2.6.4. Contribuição do ligante asfáltico à resistência à formação de trincas por ori-

gem térmica... 126 2.6.5. Propriedades dos ligantes asfálticos na ruptura... 129 2.7.REFINAMENTOS DOS PARÂMETROS SUPERPAVE PARA DEFORMAÇÃO PERMANENTE E FADIGA.. 130 2.7.1. Limitações dos parâmetros de deformação permanente e de fadiga... 130 2.7.2. Refinamentos propostos... 132 2.8.DETERMINAÇÃO DAS TEMPERATURAS DE USINAGEM E DE COMPACTAÇÃO DE MISTURAS ASFÁL-

TICAS CONSIDERANDO O COMPORTAMENTO NÃO-NEWTONIANO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS... 137 2.8.1. Introdução... 137 2.8.2. O comportamento pseudoplástico dos ligantes asfálticos modificados... 138 2.8.3. Temperaturas de usinagem e de compactação para ligantes asfálticos modifi-

cados... 140

CAPÍTULO 3. INTERAÇÕES ASFALTO-BORRACHA______________________________________ 143

3.1.INTRODUÇÃO... 143 3.2.MECANISMOS DE INTERAÇÃO ASFALTO-BORRACHA... 145 3.3.VARIÁVEIS INTERVENIENTES NA INTERAÇÃO ASFALTO-BORRACHA... 151

3.3.1. Variáveis relativas aos materiais... 152 3.3.2. Variáveis de processamento... 161 3.4.OS ENSAIOS DA ESPECIFICAÇÃO SUPERPAVE NA CARACTERIZAÇÃO DO ASFALTO-BORRACHA.. 167

CAPÍTULO 4. MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E PROCEDIMENTOS EMPREGADOS_____________ 173

4.1.DELINEAMENTO DO EXPERIMENTO... 173 4.2.MATERIAIS UTILIZADOS... 182 4.3.EQUIPAMENTOS... 185 4.4.MÉTODOS EXPERIMENTAIS... 192 4.4.1. Preparação dos ligantes asfálticos ... 192 4.4.2. Envelhecimento dos ligantes asfálticos a curto prazo em estufa de filme fino

rotativo (RTFOT)... 193 4.4.3. Envelhecimento dos ligantes asfálticos a longo prazo em estufa de vaso pres-

surizado (PAV)... 194 4.4.4. Ensaio de viscosidade aparente... 196 4.4.5. Ensaio de ponto de amolecimento pelo método anel e bola... 198

4.4.6. Ensaio de resiliência... 199 4.4.7. Ensaio de penetração... 199 4.4.8. Ensaio de balanço de massa após envelhecimento a curto prazo... 200 4.4.9. Ensaio de cisalhamento em regime oscilatório... 200 4.4.10. Ensaio de fluência na flexão... 203 4.4.11. Ensaio de varredura de freqüência para determinação da viscosidade a bai-

xas taxas... 205 4.4.12. Ensaio de estabilidade à estocagem………... 206 4.4.13. Ensaios de caracterização da borracha... 206

CAPÍTULO 5. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS_____________________________________ 209

5.1.PROCESSAMENTO DAS MISTURAS... 209 5.1.RESULTADOS DA PRIMEIRA FASE DO EXPERIMENTO... 211 5.2.1. Ensaios de viscosidade aparente (ASTM D4402-02)... 211 5.2.2. Ensaios de ponto de amolecimento (ASTM D36-95)... 218 5.2.3. Ensaios de penetração (ASTM D5-05a)... 218 5.2.4. Ensaios de balanço de massa (ASTM D2872-97)... 219 5.2.5. Ensaios de resiliência (ASTM D2872-97)... 219 5.2.6. Ensaio de fluência na flexão (ASTM D6648-01)... 219 5.2.7. Ensaios de cisalhamento em regime oscilatório (ASTM D7175-05)... 219 5.2.8. Ensaio de varredura de freqüência para determinação da viscosidade a baixas

taxas... 222 5.3.RESULTADOS DA SEGUNDA FASE DO EXPERIMENTO... 224 5.3.1. Ensaios de viscosidade aparente (ASTM D4402-02)... 224 5.3.2. Ensaios de ponto de amolecimento (ASTM D36-95)... 225 5.3.3. Ensaios de penetração (ASTM D5-05a)... 225 5.3.4. Ensaios de balanço de massa (ASTM D2872-97)... 226 5.3.5. Ensaios de resiliência (ASTM D2872-97)... 226 5.3.6. Ensaio de fluência na flexão (ASTM D6648-01)... 226 5.3.7. Ensaio de estabilidade à estocagem (ASTM D5892-00)... 227 5.3.8. Ensaio de cisalhamento em regime oscilatório (ASTM D7175-05)... 227

CAPÍTULO 6. ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS________________________________ 229

6.1.HIPÓTESES E PROCEDIMENTOS EMPREGADOS NA ANÁLISE DOS RESULTADOS... 229 6.1.1. Hipóteses adotadas na análise... 230 6.1.2. Procedimentos de análise... 231 6.2.ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS DA PRIMEIRA FASE DO EXPERIMENTO... 237 6.2.1. Modelos... 237 6.2.2. Gráficos de efeitos de componentes da primeira fase do experimento... 238

6.2.3. Superfícies de resposta (gráficos de contorno) da primeira fase do experi- mento... 238 6.2.4. Variáveis de processo... 238 6.3.ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS DA SEGUNDA FASE DO EXPERIMENTO... 248 6.3.1. Validação dos modelos obtidos na primeira fase do experimento... 248 6.3.2. Modelos adicionais... 248 6.3.2. Gráficos de efeitos de componentes da segunda fase do experimento... 248 6.2.3. Superfícies de resposta (gráficos de contorno) da segunda fase do experi-

mento... 250 6.4.COMENTÁRIOS SOBRE AS PROPRIEDADES MODELADAS... 250 6.5.CONCLUSÕES OBTIDAS DA ANÁLISE DE EFEITOS DOS COMPONENTES... 282 6.6.CONCLUSÕES OBTIDAS DA ANÁLISE DE SUPERFÍCIES DE RESPOSTA... 285 6.7.COMENTÁRIOS SOBRE AS PROPRIEDADES NÃO-MODELADAS... 288

6.7.1. Viscosidade aparente... 288 6.7.2. Temperaturas de usinagem e compactação pelo método da viscosidade a bai-

xas taxas... 289

CAPÍTULO 7. CONCLUSÕES_________________________________________________________ 293

7.1.INTRODUÇÃO... 293 7.2.CONSIDERAÇÕES FINAIS DA PESQUISA... 294 7.3.SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS... 301

REREFÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS_____________________________________________________303

Volume 2

APÊNDICE A (ELETRÔNICO): RESULTADOS OBTIDOS (GRÁFICOS E TABELAS)_____________ CD

APÊNDICE B (IMPRESSO): MODELOS DE REGRESSÃO__________________________________ 309

APÊNDICE C (ELETRÔNICO): GRÁFICOS DA ANÁLISE DE RESÍDUOS______________________ CD

APÊNDICE D (IMPRESSO): GRÁFICOS DE EFEITOS DOS COMPONENTES__________________ 393

INTRODUÇÃO

A pavimentação asfáltica e os materiais nela empregados são assuntos que já há muito tempo figuram no rol das áreas da engenharia civil mais intrigantes a engenheiros e pesquisadores. A grande variedade dos materiais de pavimentação e a própria variabilidade a eles inerente, associadas às diversas condições de carregamentos e configurações de eixos de veículos, além das diferentes condi- ções climáticas às quais esses materiais são submetidos, representam peças de um quebra-cabeça mui- tas vezes difícil de ser arranjado apropriadamente. O conhecimento amplo e preciso das propriedades desses materiais, isolados ou combinados das mais diversas formas nas misturas asfálticas, é uma fer- ramenta potencial para facilitar a reunião adequada dessas peças.

Na tentativa de incrementar a qualidade das soluções encontradas para o quebra-cabeça, novos materiais têm sido incorporados aos ligantes asfálticos, dentre os quais destacam-se os polímeros e a borracha de pneus. Por ser um produto de elevado apelo ecológico e capaz de melhorar propriedades mecânicas das misturas asfálticas, o asfalto-borracha se mostra como alternativa promissora no cenário da engenharia de pavimentação, como já constatado por meio de um pequeno número de experiências aqui no Brasil e extensivamente em outros países.

Conhecer o asfalto-borracha, de forma ampla e precisa, não parece ser uma pretensão ca- bível para uma única tese de doutorado, porém, avançar o tanto quanto possível, no que se concebe como exeqüível dentro do escopo de uma pesquisa desta natureza, é o objetivo primeiro deste trabalho. Para tanto, pretende-se promover uma detalhada caracterização física do ligante asfáltico modificado com borracha e resíduo de óleo de xisto. Acredita-se que a compatibilização da borracha de pneu com o ligan- te asfáltico seja facilitada pela adição de teores adequados de resíduo de óleo de xisto. Eis a hipótese que se quer verificar.

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