ASFALTO MODIFICADO COM POLMERO (SBS) Philipe Nascimento Azevedo1 Antonio Freitas da Silva Filho2

RESUMO O principal componente utilizado atualmente nas misturas para pavimentao o asfalto, encontrado na natureza e derivado do petrleo; tem como principais propriedades ser um material aglutinante e impermeabilizante. O artigo demonstra por meio dos ensaios de penetrao (100g, 5s, 25C), ductilidade a 25C, ponto de amolecimento, ponto de fulgor, viscosidade saybolt furol a 135C (ssf) e recuperao elstica, a melhoria do asfalto por meio da adio de polmero SBS (estireno-butadieno-estireno). Foram avaliados e comparados os resultados do asfalto convencional e o asfalto modificado com 6% de polmero SBS. O estudo de caso visa demonstrar atravs dos ensaios, a melhora das propriedades fsicas do asfalto a fim de torn-lo um produto ainda melhor. 1.0 INTRODUO O asfalto um elemento originalmente encontrado na natureza e teve como primeira funo impermeabilizar tanques e reservatrios. Estudos realizados ao longo dos sculos demonstram que o mesmo teve outras funes. PETRUCCI (1979), afirma que: atualmente na pavimentao rodoviria, na estabilizao de bases e em revestimento que absorvida a quase totalidade da produo de materiais betuminosos. Na construo civil utilizado como material complementar, destinado a proteger os demais materiais ou parte de uma construo, principalmente contra umidade com sua funo impermeabilizadora, dando origem ento aos materiais de estanqueidade e revestimentos de proteo. Tentativas sempre foram feitas no sentido de melhorar a composio do asfalto, tornando-o mais adequado as necessidades da populao que faz, ao longo dos tempos, uso do mesmo. Estudos nunca deixaram de ser realizados, tentativas aparentemente simples, mas que fizeram a diferena ao longo da histria. Uma alternativa vem sendo estudada desde 1995 no Brasil a adio de polmero sinttico do tipo SBS ao asfalto. O objetivo dessa pesquisa avaliar a melhoria das propriedades dos ligantes, a fim de que apresentem maior adeso aos agregados, menos suscetibilidade trmica em faixas de temperatura de servio dos pavimentos e obter ainda recuperao elstica, possibilitando ao pavimento estender sua vida til. Como resultado buscase pavimentos mais resistentes fadiga e deformao permanente, comprovando a importncia da utilizao do asfalto modificado por polmero.

2.0 ESTATSTICAS DAS ESTRADAS BRASILEIRAS No Brasil o transporte rodovirio responde por mais de 65% do volume de toda carga e 95% dos passageiros, correspondendo a uma operao que equivale a 70% do nosso PIB, de acordo com REIS e SANTO, (1999).1

Graduando o ltimo semestre em Engenharia Civil pela Universidade Catlica do Salvador. E-mail: ph_azevedo7@hotmail.com 2 Orientador do Artigo. Mestre em Engenharia Civil pela universidade Federal do Rio Grande do Sul. Professor da Universidade Catlica do Salvador. E-mail: freitaseng@bol.com.br

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Segundo dados de estudos do DNER (Departamento Nacional De Estradas De Rodagem), uma rodovia em mau estado de conservao representa 58% a mais no consumo de combustvel, 38% no custo de manuteno dos veculos, o dobro do tempo de viagem alm de aumentar o nmero de acidentes em 50%. A m conservao de nossas rodovias federais representa um gasto anual de R$ 1,7 bilho, devido ao acrscimo dos custos operacionais e do custo com a perda de vidas humanas (78 mil pessoas/ano) LEITE, (1999).

3.0 ORIGEM Os primeiros relatos sobre o betume vm da antiga Mesopotmia; tanto esses povos quanto egpcios e romanos j utilizavam o asfalto elemento asfltico comum em rios e lagos, alm do material encontrado em rochas para impermeabilizar banheiras nos templos e reservatrios de gua, evitando assim vazamentos. Antes disso, porm, coloca-se em pauta a existncia de relatos bblicos, que indicam o uso do mesmo como impermeabilizante a partir da arca de No, IBP (Instituto Brasileiro de Petrleo), 1999). A partir de 625 d.C, aproximadamente, tem-se relatado, uso do asfalto natural para o setor de construo, beneficiando estradas e edifcios. Foram os povos babilnios que descobriram essa tecnologia, a possibilidade de ligar qualquer material ao asfalto natural. As pavimentaes asflticas pioneiras datam de 1802 na Frana, 1838 nos Estados Unidos (Filadlfia) e 1869 na Inglaterra e foram executadas com asfaltos naturais provenientes de jazidas (IBP, 1999). O asfalto um betume espesso, de material aglutinante escuro e reluzente, de estrutura slida, constituda de misturas complexas de hidrocarbonetos no volteis de elevada massa molecular, alm de substncias minerais, resduo da destilao a vcuo do petrleo bruto. No um material voltil, solvel em bissulfeto de carbono, com propriedades isolantes e adesivas. Os elementos constituintes do asfalto responsveis pelas propriedades que possibilitam o seu emprego estabilizao das superfcies de rolamento so quatro: carbides, carbenos, asfaltenos e os maltenos, GUIMARES (2008). O nome asfalto tem sua origem no grego (asphaltos); de acordo com o dicionrio GLOBO (1995), e corresponde a composio betuminosa, empregada em trabalhos de pavimentao. PETRUCCI (1979) diz que, os asfaltos so materiais constitudos predominantemente por betumes, apresentando-se temperatura ordinria com consistncia slida ou semi-slida. Tem cor preta ou pardo-escura caracterstica e fundem gradualmente pela ao do calor. A figura 1 demonstra um esquema de destilao a vcuo do petrleo bruto, para produo de seus derivados, incluindo o asfalto.

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Figura 1 Esquema de destilao a vcuo do petrleo bruto.

4.0 FUNES DO ASFALTO NA PAVIMENTAO O IBP (1999) define, que as duas mais importantes funes exercidas pelo asfalto na pavimentao so: - Aglutinadora: a funo aglutinadora proporciona uma ntima ligao com os agregados capaz de resistir ao mecnica de desagregao produzida pelas cargas dos veculos. - Impermeabilizadora: a funo impermeabilizadora garante ao revestimento vedao eficaz contra a penetrao da gua proveniente de chuvas, evitando danos estrutura do pavimento. IBP, (1999), acrescenta ainda: nenhum outro material garante melhor do que o asfalto a realizao econmica e simultnea dessas funes.

5.0 LIMITAES DO ASFALTO O asfalto tem sido o principal material aglutinante utilizado na construo de rodovias e vias urbanas, entretanto, o aumento do nmero de veculos comerciais e da carga transportada por eixo tem levado ao desgaste prematuro dos pavimentos, resultando em aumento dos custos de manuteno, engarrafamentos e atrasos aos usurios. Alm disso, por limitao de custos, as tcnicas empregadas para manuteno incluem misturas com espessuras reduzidas com ligantes extremamente rgidos, conduzindo s trincas de fadiga e conseqentemente, degradao prematura do pavimento. Os ligantes mais rgidos tm uma recuperao elstica menor, diminuindo ainda mais a sua vida til, ocasionando as trincas por fadiga. O asfalto um excelente material aglutinante, fcil de aplicar e barato, porm apresenta algumas limitaes, tais como: -em determinadas misturas, a presena de umidade na interface agregado/ligante leva perda de material ptreo; 3

-a resistncia trao do asfalto diminui medida que o mesmo flexionado, ou seja, o asfalto perde a sua resistncia mecnica quando o pavimento sofre deflexes; -em baixas temperaturas, se torna rgido e quebradio, sujeito a trincas e, em altas temperaturas, amolece e flui, causando deformaes plsticas ao pavimento; -apresenta tendncia ao envelhecimento (oxidao). A especificao de um asfalto que satisfaa essas exigncias tcnicas conflitantes significa melhorar determinadas propriedades em detrimento de outras. Assim sendo, muitos modificadores tm sido desenvolvidos para melhorar as propriedades de fluncia e adeso dos asfaltos em especficas aplicaes. Infelizmente nenhum destes aditivos pode ser utilizado, irrestritamente em todos os tipos de misturas, surgindo o polmero SBS como soluo para maioria dos casos.

6.0 CLASSIFICAO DOS POLMEROS SILVA (1996), descreve que monmero a molcula orgnica a qual capaz de combinar-se quimicamente com outras molculas, similares ou no, para formar um material de elevado peso molecular conhecido como polmero (ou resina sinttica). E acrescenta que, polmeros So substncias formadas de molculas gigantes, nas quais uma ou vrias unidades bsicas (monmeros) repetem - se inmeras vezes. Milhares de unidades monomricas podem ser constitudas de uma nica molcula de polmero. Polimerizao o processo qumico que proporciona esta ligao e envolve: - adio: uma mesma unidade monomrica acrescentada cadeia em crescimento, sem formao de subproduto; - condensao: duas molculas reagem geralmente com eliminao de gua ou de alguma outra molcula pequena. H formao de subprodutos que precisam ser removidos do meio reacional; - modificao de polmeros: resultante das reaes qumicas sobre polmeros j existentes. As propriedades de matriz asfltica modificada por polmeros dependem, diretamente das caractersticas e concentrao dos polmeros e tambm da natureza da matriz asfltica. Duas classes de polmeros tpicos so usadas para modificao de matrizes asflticas, os elastmeros e os plastmeros LU & ISACSSON, (2001). De maneira geral, os elastmeros so utilizados para aumentar a resistncia e a flexibilidade dos pavimentos, enquanto os plastmeros aumentam a rigidez e a estabilidade. CASTRO & BOTARO, (2004).

Os polmeros podem ser classificados em quatro grandes grupos, apresentando as seguintes caractersticas: - Termo-rgido: Por ao do calor, endurecem de forma irreversvel, e no voltam a amolecer sob nova ao do calor. Ex: Epxi, polister. - Termo-plstico: Por ao do calor, amolecem reversvelmente. Amolecem sob nova ao do calor e endurecem a baixas temperaturas. Ex: Polietileno; PVC (poli cloreto de vinila); EVA (copolmero de estleno acetato de vinila). - Elastomricos: Devido ao do calor, se decompe antes do amolecimento. Ex: Borracha polibutodieno; Poliuterama. - Elastos-termoplsticos: Na ao do calor, tem comportamento termoplstico (amolecimento reversvel), sob baixa temperatura, tem propriedades elsticas (flexibilidade). 4

Ex: SBS (estireno-butadieno-estireno) SBR (borracha de butadieno estireno); EVA (copolmero de estleno acetato de vinila) possui alta concentrao de acetato- 30/40 %, borracha natural; Elvaloy.

7.0 ASFALTO MODIFICADO POR POLMERO (SBS) Os asfaltos modificados por polmeros so obtidos a partir da incorporao do polmero ao CAP, em unidade apropriada, podendo ou no envolver reaes qumicas. Os cimentos asflticos que se prestam modificao so aqueles que apresentam compatibilidade com o polmero a ser empregado. Os polmeros mais amplamente utilizados na modificao de asfaltos, para fins rodovirios so: SBS (estireno-butadieno-estireno), SBR (borracha de butadieno estireno) e EVA (copolmero de estileno acetato de vinila) IBP, (1999). Segundo IBP (1999), os polmeros (SBS) quando adicionados ao asfalto podem alterar profundamente o comportamento reolgico do asfalto, melhorar as propriedades mecnicas, numa grande faixa de temperatura. E complementa ainda que suas principais vantagens so: - diminuio da suscetibilidade trmica; - melhoria das caractersticas adesivas e coesivas; - aumento da resistncia ao envelhecimento; - elevao do ponto de amolecimento; - diminuio do ponto de ruptura Fraass; - maior resistncia deformao permanente.

8.0 FUNCIONAMENTO DO PAVIMENTO ASFLTICO COM E SEM A ADIO DE POLMERO (SBS) A utilizao do asfalto convencional em camadas de pavimentao j conhecida: CAP (cimento asfltico de petrleo) usado como aglutinante dos agregados minerais, ligando-os flexivelmente. Sob a ao das cargas do trfego, o pavimento flexvel sofre deflexes; em cada ponto de aplicao da carga aparece uma bacia de deformao, que se compe de regies comprimidas e tracionadas. Nas regies comprimidas, os agregados se aproximam mais, ocasionando um atrito com o ligante, no retorno posio original, os agregados se separam de novo, havendo novamente um atrito entre o ligante em sentido contrrio. Similarmente, nas regies tracionadas os agregados se afastam, causando um alongamento do ligante; no retorno posio original os agregados se aproximam de novo, havendo um atrito do ligante em sentido contrario. Assim em cada movimento de vai-e-vem do pavimento pela aplicao do trfego, h um atrito duplo do ligante que une os agregados, e em sentidos opostos. Como o asfalto um sistema coloidal constitudo por micelas dispersas num meio oleoso, fica fcil perceber que nesse atrito que a pelcula do ligante sofre, vai haver um deslocamento das 5

micelas nas duas direes. Entretanto, no retorno, nem sempre as micelas voltam ao ponto original, ocasionando um deslocamento micelar residual. O sucessivo acmulo desse deslocamento micelar residual, leva diminuio da capacidade de ir e vir das micelas, por estrangulamento das sees transversais da pelcula do ligante, o que diminui muito a aleatoriedade da reorganizao, responsvel pela capacidade de fluxo plstico do ligante ao longo do tempo. Depois de um determinado nmero de aplicaes de carga, e consequentemente de deslocamento micelar residual, acaba a probabilidade de aleatoriedade de reorganizao no retorno das micelas, o que gera a ruptura da seo transversal do ligante naquele ponto, ocasionando o aparecimento de fissuras, que anunciam o final da vida til do pavimento. A filosofia bsica da modificao do ligante com polmero (SBS) exatamente o aumento da probabilidade de retorno dessas micelas sua posio original, nesse alongamento e atrito a que so submetidas ao longo da vida til do pavimento, pela ao das cargas do trfego. O aumento dessa probabilidade de retorno das micelas posio original eleva o nmero de aplicaes de carga necessria ruptura do ligante, o que equivale a ampliar a sua vida til. Isto s se torna possvel se o asfalto for modificado por um sistema que, distribudo em todo volume do ligante, possa prov-lo de um sistema de amortecimento entrelaado, cujo interior fique o CAP. Nessas condies , quando o ligante modificado trabalha no pavimento, o CAP se comporta exatamente da mesma maneira como se estivesse puro. Entretanto, como ele est envolvido por uma rede de amortecedores, estes ao se esticarem oferecem maior resistncia deformao, e cessada a ao da carga, o retorno das micelas posio original amplamente favorecido pelo re-enovelamento do amortecedor criado com a adio de polmero ao CAP (12 encontro de asfalto, IPB, 1999). A figura 1 demonstra um modelo de micela.

Figura 2 Modelo de micelas de Yen.

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9.0 ESTUDO DE CASO: AVALIAO DO DESEMPENHO DO CAP COM E SEM ADIO DE SBS Foram efetuados os ensaios com e sem o polmero (SBS) no laboratrio da BRASQUMICA. Foi adicionado ao CAP (cimento asfltico de petrleo) 6% do polmero SBS. O desempenho do asfalto modificado com polmero (SBS) foi avaliado mediante a realizao dos seguintes ensaios: -9.1 Ensaio de penetrao (100g, 5s, 25C), NBR-6576: Este ensaio consiste em caracterizar a resistncia (ou dureza) de uma amostra de asfalto, contido em um recipiente, em estado semi-slido, submersa em um banho de gua, temperatura de 25C submetida penetrao de uma agulha padronizada, com peso determinado, ao tempo de 5 segundos, sendo anotada a distncia percorrida pela agulha, no interior da massa de asfalto, em dcimos de milmetros (dmm), medida esta registrada pela escala graduada, do aparelho penetrmetro. A determinao da penetrao (dmm) relevante para avaliao do comportamento desse material, componente aglutinante dos revestimentos asflticos, expostos aos fatores climticos (frio e calor). A figura 3 demonstra um esquema de como ocorre o ensaio de penetrao, j a figura 4 demonstra o aparelho utilizado nesse tipo de ensaio.

Figura 3 Esquema do mtodo do ensaio de penetrao. Fonte: Prof. Geraldo Marques, Universidade Federal de Juiz de Fora.

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Figura 4 Aparelho utilizado para ensaio de penetrao (penetrmetro).

-9.2 Ensaio de ductilidade a 25C, NBR- 6293: Ductilidade a resistncia em centmetros, em que o corpo-de-prova de material betuminoso em condies padronizadas, submetido a uma trao em condies especficas, se rompe. O objetivo desse ensaio medir a resistncia flexibilidade. A medida da ductilidade tomada de acordo com a distncia mxima que o corpo de prova conseguir se estender at o momento da ruptura. Deve-se tomar a mdia de trs determinaes para o valor da ductilidade final. Este ensaio s exigido para asfalto convencional. A figura 5 demonstra o esquema de execuo e obteno do resultado atravs do ensaio de ductilidade.

Figura 5 Esquema do mtodo do ensaio de ductilidade. Fonte: Prof. Geraldo Marques, Universidade Federal de Juiz de Fora. 8

-9.3 Ensaio de ponto de amolecimento, NBR-6560: O objetivo do mtodo medir a consistncia do CAP (cimento asfltico de petrleo) com a variao de temperatura, indicando a que nvel de dureza o asfalto tem determinada consistncia. Este ensaio arbitrrio, pois o amolecimento de um material betuminoso no se d a uma temperatura definida, havendo mudana gradual da consistncia com a elevao da temperatura. A figura 6 demonstra o mtodo de como praticado o ensaio de ponto de amolecimento, j a figura 7 demonstra o aparelho que feito o ensaio.

Figura 6 Esquema do mtodo do ensaio de anel e bola (ponto de amolecimento). Fonte: Prof. Geraldo Marques, Universidade Federal de Juiz de Fora.

Figura 7 Aparelho utilizado para ensaio de determinao do ponto de amolecimento. 9

-9.4 Ensaio de determinao do ponto de fulgor, NBR-11341: Ponto de Fulgor a temperatura na qual os vapores originados pelo aquecimento do CAP (cimento asfaltico de petrleo) se inflamam quando em contato com uma chama padronizada. a temperatura limite que pode o material asfltico atingir em obra sem risco de incndio. Essa combusto um indicativo da presena de certos constituintes volteis indesejveis no asfalto. As especificaes atuais do CAP fixam o valor de 235C para o ponto de fulgor. O ensaio realizado no Vaso Aberto de Cleveland. A figura 8 demonstra um dos tipos de aparelho utilizado para determinao de ponto de fulgor.

Figura 8 Aparelho utilizado para ensaio de determinao do ponto de fulgor.

- 9.5 Ensaio de determinao da viscosidade Saybolt-Furol, NBR-14950: Este ensaio mede a consistncia dos materiais betuminosos. As consistncias indicadas para as operaes de mistura, espalhamento e compactao so medidas em termos de viscosidades. A viscosidade determina a coeso e adeso do CAP (cimento asfltico de petrleo). So utilizados aparelhos denominados viscosmetros, que se destinam a medir a resistncia ao escoamento de um fluido. A viscosidade saybolt determinada pelo tempo em segundos que uma quantidade de material leva pra escoar em condies padronizadas. So normalmente utilizadas as temperaturas de 25, 50, 60 e 82,2 C para asfaltos. Diludos e emulses e para cimentos asflticos a viscosidade medida a 135 C. A figura 9 demonstra o aparelho utilizado para determinao da viscosidade Saybolt-furol.

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Figura 9 Aparelho utilizado para ensaio de determinao da viscosidade Saybolt-Furol. - 9.6 Ensaio de determinao de recuperao elstica, NBR 382/99: Este ensaio determina a recuperao elstica do material asfltico aps a interrupo de trao mecnica especificada exercida pelo ductilometro. Este ensaio semelhante ao ensaio de ductilidade diferenciando-se apenas que, no momento em que seccionado o CAP verificado o seu retorno aps 60 min de repouso, esse retorno expresso em porcentagem. A figura 10 demonstra o aparelho utilizado para determinao da recuperao elstica e ductilidade.

Figura 10 Aparelho utilizado para ensaio de determinao de recuperao elstica e ductilidade (ductilometro). 11

10.0 RESULTADOS Os resultados foram expressos em uma tabela, comparando os valores encontrados nos ensaios do CAP convencional 50/70 e do CAP modificado com polmero SBS. Tabela 1 Parmetros limites desejados para aceitao dos resultados para CAP convencional 50/70 e AMP (asfalto modificado com polmero).UNIDADE 0,1 mm CM C C S %

CARACTERSTICAS MTODO PENETRAO (100G , 5S , 25C ) NBR-6576 DUCTILIDADE A 25C NBR-6293 PONTO DE FULGOR NBR-11341 PONTO DE AMOLECIMENTO NBR-6560 VISCOSIDADE SAYBOLT FUROL A 135 (SSF) NBR-5847 RECUPERAO ELSTICA (20CM , 25C ) dner-me -382/99

CAP 50/70 50/70 > 60 > 235 > 45 > 110 -

AMP 45/70 > 235 > 60 > 150 > 85

Aps a execuo dos ensaios no CAP com e sem a adio do SBS, foram encontrados os seguintes resultados expressos na tabela 2: Tabela 2 Resultados encontrados com e sem a adio do polmero (SBS).UNIDADE 0,1 mm CM C C S %

CARACTERSTICAS MTODO PENETRAO (100G, 5S, 25C) NBR-6576 DUCTILIDADE A 25C NBR-6293 PONTO DE FULGOR NBR-11341 PONTO DE AMOLECIMENTO NBR-6560 VISCOSIDADE SAYBOLT FUROL A 135 (SSF) NBR-5847 RECUPERAO ELSTICA (20 cm, 25C) DNER-me-382/99

CAP 50/70 50/70 72 245 48 123 -

AMP 45/70 249 65 166 89

Obs.: AMP (asfalto modificado com polmero).

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As figuras 11 e 12 demonstram as instalaes laboratoriais, enquanto que nas figuras 13 e 14 so demonstradas as instalaes industriais da BRASQUMICA.

Figura 11 Instalaes do laboratrio da BRASQUMICA.

Figura 12 Instalaes do laboratrio da BRASQUMICA.

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Figura 13 Instalaes industriais da BRASQUMICA.

Figura 14 Instalaes industriais da BRASQUMICA. 11.0 CONSIDERAES FINAIS O asfalto modificado por polmero (SBS) atua como elemento importante para uma melhor condio de vida til do pavimento. Como foi observado nas tabelas 1 e 2 todos os resultados esto conforme os valores permitidos pelas normas especficas. Com o aumento do ponto de amolecimento ha uma reduo da suscetibilidade trmica evitando assim os trilhos de rodas muito freqentes nas pistas que recebem mais esforos, como pistas com grande trfego de caminhes e nibus. O aumento da viscosidade promove maior coeso e adeso agregado 14

ligante, com isso ha uma melhora na funo aglutinadora do CAP. A recuperao elstica a principal qualidade adquirida com a adio de polmero (SBS) ao CAP, o polmero (SBS) promove um retorno do ligante sem que haja um grande desgaste residual, como j foi dito anteriormente, na demonstrao do funcionamento do pavimento com e sem o polmero (SBS), promovendo uma maior resistncia a deformao permanente e ao desgaste e envelhecimento. O aumento dessas propriedades acaba implicando diretamente nos seguintes benefcios: - Reduo da suscetibilidade trmica; - Melhora as caractersticas adesivas e coesivas; - Elevao do ponto de amolecimento; - Maior resistncia a deformao permanente; - Maior resistncia ao desgaste e envelhecimento; Segundo CARLOS AUGUSTO COSTA (qumico da BRASQUIMICA), atualmente (maio/2009), o preo de custo do CAP 50/70 (convencional) de R$ 1300,00/tonelada e o do CAP modificado por polmero de R$ 2200,00/tonelada. O CAP modificado por polmero apresenta um acrscimo 59,1% do preo de custo em relao ao preo do convencional. Todavia, devido ao uso do CAP modificado por polmero trazer inmeras vantagens inclusive at com prolongamento da vida til do pavimento, fornece, portanto, soluo eficaz em termos de custo beneficio. Vantagens maiores so obtidas, considerando-se a reduo das manutenes dos veculos, atrasos aos usurios e dos nveis de acidentes rodovirios.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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