Investigação reológica de asfalto e betume

O betume é um resíduo refinado que vem da destilação do petróleo cru. Trata-se de uma mistura complexa contendo diversos componentes petroquímicos. Asfalto é uma mistura de betume e componentes minerais, com o betume servindo como uma espécie de ligante. Contudo, em alguns países (como os EUA), os termos asfalto e betume são usados como sinônimos.

Pavimento de estrada ou concreto asfáltico é uma mistura de materiais minerais como pedras, cascalho, brita, areia, etc. com betume como o aglutinante (ou asfalto, respectivamente). A pavimentação geralmente é exposta a condições climáticas diversas e alta carga de tráfego. Consequentemente, reparos nas estradas representam um fator de custo considerável para autoridades de construção de rodovias. Entre os danos mais comuns estão a formação de ranhuras na pista, o aparecimento de rachaduras devido à fadiga do material ou a tensão térmica.

Ranhuras nas vias surgem devido à carga de tráfego permanente. Como resultado, as forças estruturais da mistura que se enfraqueceram, o que pode levar ao aumento da deformação permanente do pavimento. Por fim, isso pode acabar causando efeitos como aquaplanagem.   

A fadiga e o craqueamento térmico são causados muitas vezes por mudanças de temperatura climáticas. Microfissuras que eventualmente apareçam não se recuperam sozinhas. Consequentemente, essas fissuras ficarão ainda maiores e os fragmentos de pedra ou asfalto sairão da superfície do pavimento devido à força de fricção dos pneus – em uma reação em cadeia, a água e o gelo que penetram no pavimento durante o inverno acelerarão ainda mais o processo de danos, algo aplicável especialmente no caso de climas de baixa temperatura.  

O objetivo da administração pública, assim como das empreiteiras, fabricantes de materiais de construção e institutos de pesquisa, é melhorar o desempenho e a vida útil do concreto asfáltico. Isso pode ser alcançado com o uso de matérias-primas de alta qualidade e com a textura e proporção de mistura certas de betume e materiais minerais. Tais melhorias resultam em aumento de processabilidade, estabilidade dimensional, resistência a mudanças climáticas sazonais, menos adesão de líquidos e pó e melhor comportamento de aderência.

O termo "betume" tem origem celta e significa breu mineral ou "resina da terra". Este líquido inflamável de cor que varia do marrom amarelado ao preto apresenta propriedades resistentes e viscoelásticas a temperatura ambiente. Ele é composto por milhares de compostos de alto e baixo peso molecular, incluindo hidrocarbonetos, resinas, parafinas, ceras, gorduras, óleos pesados, ligninas, proteínas e asfaltenos. Ao contrário do asfalto, o betume não contém sólidos (ex. minerais). O betume natural é composto de materiais orgânicos naturais.

O betume atua principalmente como um ligante de asfalto para misturas de pavimentos de estradas, onde é usado para ligar aditivos minerais sólidos como areia e pedras pequenas. Para isso, ele precisa permanecer estável contra a separação em altas temperaturas. Por outro lado, ele não pode apresentar tendência para fraturas por fragilidade em baixas temperaturas.

As propriedades reológicas do betume podem ser determinadas, por exemplo, através de  testes oscilatórios  a uma temperatura variável (na faixa de T = 0 °C a +70 °C). Polímeros sintéticos são frequentemente usados para otimizar o comportamento  viscoelástico  do pavimento da estrada. Normalmente, os componentes de betume puro possuem menor influência sobre o comportamento reológico do que os polímeros sintéticos adicionados. Alguns testes duradouros na indústria do asfalto são realizados somente a um única temperatura, o que não é suficiente para um material tão complexo em termos reológicos como o betume. Valores tradicionais específicos como o ponto de amolecimento, determinados com o método anel e bola, ou os valores de penetração determinados pela penetração de agulha permitem uma classificação aproximada mas não fornecem informações suficientes sobre a qualidade do produto entregue ou sobre sua adequação para as aplicações mais específicas.

Esse teste exige um reômetro para asfalto que incorpore um dispositivo de controle de temperatura Peltier para geometrias de cilindro concêntrico.

Para tornar ligantes betuminosos ou asfálticos adequados a necessidades especiais como pavimentos de estradas, eles são frequentemente misturados com polímeros para formar o tão chamado betume modificado (BMP). Comparado com o betume comum, o BMP é mais aderente a partículas minerais e a faixa de temperatura entre o ponto de amolecimento e o ponto de ruptura é mais ampla. Ele apresenta uma melhor recuperação após a remoção de carga e é mais resistente à fadiga do material. Além disso, o BMP apresenta uma melhor resistência a água, além de maior rigidez e durabilidade. O BMP é comumente usado em áreas com uma carga de tráfego extremamente alta, por exemplo em pontes e em concreto asfáltico de células abertas, sendo aplicado para reduzir o ruído nas estradas.

A principal finalidade de misturar betume com polímeros é ampliar sua faixa de ductilidade, tornando-o mais rígido em temperaturas altas e mais macio em temperaturas baixas. Aditivos podem compor até sete porcento do betume. Aditivos comuns consistem em misturas de polímeros termoplásticos como estireno-butadieno-estireno (SBS), etileno-acetato de vinilo (EVA) ou borracha de pneus triturada (GTR). Podem ser empregados testes reológicos para determinar o comportamento dependente de temperatura do BMP quando aquecido ou derretido como, por exemplo, com o uso de um reômetro  oscilatório . Apesar de a porcentagem de polímero adicionado ser bastante pequena em relação ao betume, uma curva de temperatura demonstra claramente a forte influência das moléculas de polímero sobre o comportamento viscoelástico da mistura.

Esse teste exige um reômetro de asfalto que incorpore um dispositivo de controle de temperatura Peltier para geometrias de cilindro concêntrico.

O número cada vez maior de veículos nas estradas de países industrializados e em desenvolvimento gera milhões de pneus usados todos os anos. O uso de borracha de pneu na produção de asfalto para construção de rodovias não apenas ajuda a reduzir o impacto ambiental de pneus usados, como também modifica de forma benéfica as propriedades do asfalto para construção de estradas. Entre os benefícios, estão superfícies de rodovias mais duradouras, menor manutenção de rodovias, menos ruído de trânsito e distâncias menores de frenagem. Talvez não seja surpresa que a borracha de asfalto tenha se tornado o maior mercado único para pneus usados, consumindo cerca de 12 milhões de pneus por ano. A Califórnia e o Arizona usam a maior parte de borracha de asfalto na construção de rodovias (mais de 80% do asfalto usado lá vem da borracha de asfalto), embora as borrachas de asfalto possam ser projetadas para funcionar em qualquer tipo de clima. 

Os fabricantes de asfalto precisam ser capazes de medir o comportamento viscoelástico do asfalto para classificar o material e prever seu desempenho. Tais medições podem ser realizadas com um reômetro de cisalhamento dinâmico, que pode ser usado para asfalto modificado com borracha com partículas de até 2mm de diâmetro. No geral, a adição de borracha de pneus melhora significativamente as propriedades reológicas do asfalto, algo que pode ser visto como um aumento na rigidez e elasticidade do material em comparação com o asfalto usado na pavimentação.

Esse teste exige um reômetro de asfalto que incorpore um dispositivo de controle de temperatura Peltier para geometrias de cilindro concêntrico.