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7/21/2019 aula 3.4 a Ligantes
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Ligantes Asf Ligantes As f á á lt icos l t icos : Obten : Obten ç ç ão,ão,
Apl ica Apl ica ç ç ões e Armazenamento ões e A rmazenamento
TRPTRP--10021002
Materiais para InfraMateriais para Infra--Estrutura deEstrutura deTransportesTransportes
Prof. Deividi PereiraProf. Deividi Pereira
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Asfaltos e Betumes
n
Betumes¡ ABNT: TB-27 (NBR-7208)n É uma mistura de hidrocarbonetos de consistência sólida, líquida ou gasosa, de
origem natural ou pirogênica, completamente solúvel em bissulfeto de carbono,freqüentemente acompanhado de seus derivados não-metálicos
¡ ASTMn É uma mistura de hidrocarbonetos pesados, obtidos em estado natural ou por
diferentes processos físicos ou químicos, com seus derivados de consistênciavariável, com poder aglutinante e impermeabilizante, sendo completamentesolúvel em bissulfeto de carbono
¡ Traduzindo...n Substâncias compostas por hidrocarbonetos pesadosn Propriedades ligantesn Inflamáveisn
Elevada viscosidade em temperatura ambienten Ocorrência natural ou fabricados pela destilação do petróleo, de carvão(alcatrão), de madeira ou de resinas
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Asfaltos e Betumes
n
Asfalto¡ ABNT: TB-27 (NBR-7208)n É um material sólido ou semi-sólido, de cor entre preta e pardo escura,
que ocorre na natureza ou é obtido pela destilação do petróleo, quefunde gradualmente pelo calor, e no qual os constituintespredominantes são de betumes
¡
Traduzindo...n Constituídos essencialmente de betumen Obtenção natural (presente em rochas ou em depósitos lacustres, como
os asfaltos de Trinidad e de Bermudez)n Obtenção industrial, a partir do refino do Petróleo
n Petróleo ó principal matéria-prima do asfalto¡ Em Balbo (2007): “variados processos de decomposição emilhões de anos de ações geológicas transformaram os
complexos compostos orgânicos que formavam os tecidos dasplantas e animais vivos de outrora, numa mistura de alcanos,cujas moléculas podem conter de um a 20 ou 30 átomos decarbono”
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Processo Industrial de Obtenção do Asfalto
Fonte: Ipiranga Asfaltos S/AFonte: Ipiranga Asfaltos S/A
D e s t i l a ç ã o
A t m o s f é r i c a
D e s t i l a ç ã o a
V á c u o
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Refinarias no Brasil
n Maioria das refinariasobjetivam a produção decombustíveis
n Asfalto = subproduto
n Refinarias c/ Asfaltos como
produto principal:¡ Fortaleza – CE
¡ Mataripe – BA
¡ Cubatão – SP
n Origem do Petróleo¡ Resultam em asfaltos com
características distintas
¡ Mudanças diárias
¡ Elevada variabilidade decomportamento
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Refinarias no Brasil
Fonte:Fonte: BernucciBernucci etet al. 2006al. 2006
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Refinarias no Brasil
QUADRO RESUMO REFINARIAS, UNIDADES ETIPOS DE CAP.
QUADRO RESUMO REFINARIAS, UNIDADES ETIPOS DE CAP.
Fonte: Eng. Dultevir MeloFonte: Eng. Dultevir Melo
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Petróleo/CAP’s – Consumo Nacional (t)
1 5 3 8 1 5 6
1 9 6 9 3 2 1
1 5 5 1 3 9 5
1 7 7 5 6 0 9
1 5 9 8 8 5 8
1 6 2 6 2 8 6
1 1
5 7 0 8 3
1 4 0 9 2 7 5
1 4 4 3 8 6 2
1 8 5 0 8 6 0
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
1600000
1800000
2000000
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
CONSUMO DE ASFALTO NO BRASIL
FONTE: PETROBRAS
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Petróleo/CAP’s – insumos em extinção
n Consumo médio de CAP no CBUQ: 6%n Considerando uma vias de pista simples com 7m de largura e uma camada
asfáltica de 5cm ð Consumo de 50,4 t/kmn Reserva de asfalto do Brasiló 1.317.381 km de pista de rolamento ó
extensão de vias existentes não-pavimentadasn Solução:
¡ Busca de novas reservas de petróleo Reserva de Campos (2007)¡ Alteração da matriz energética do planeta
n Caso contrário: CAP existente somente suprirá a demanda destinada àrestauração/conservação dos pavimentos existentes
País
Reserva de Petróleo
em 2004 (milhões debarris)
Reserva de Asfalto
em 2005 (milhões detoneladas) Ano da Crise
Brasil 8.500 66 2.020EUA 22.677 172 2.015
Venezuela 77.800 643 2.097Grã-Bretanha 4.655 32 2.010
mirados Árabes Unidos 97.800 811 2.147Iraque 115.000 954 2.160
Irã 125.800 1.040 2.104Kwait 99.000 822 2.174
1 Barril Petróleo = 159 l = 167 kg
Desconsiderandoas Reservas
descobertas em2007/8
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Classificação dos Ligantes Asfálticos
Fonte: Notas de Aula Prof. LucianoFonte: Notas de Aula Prof. Luciano SpechtSpecht
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CAP’s
n Cimento Asfáltico de Petróleo¡ Compostos obtidos a partir do refinamento do
petróleo cru¡ Possuem grande quantidade de betume
(hidrocarbonetos não voláteis pesados)¡ Cor negra ou marrom muito escuro¡ Elevada viscosidade (função da temperatura)¡ Consistência sólida a semi-sólida (função datemperatura)¡ Atua como ligante (aglutinador)¡ Propriedades para pavimentação
n Boa aderência com os agregadosn Impermeabilizaçãon
Flexibilidaden Durabilidaden Resistência à maior parte dos ácidos, sais e
álcalisn Insolúvel em água
Fonte: Bernucci et al, 2006
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CAP’s
n Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP)¡ Constituição
n Asfaltenos¡ Parte ssóólidalida do produto¡ Concede rigidezrigidez e a coloracoloraççãoão típica do produto
n Resinas¡ Envolvem os asfaltenos¡ Impedem a floculação
n Maltenos¡ Parte oleosaoleosa do CAP, ou veículo¡ Responsável pelas propriedades plpláásticassticas e de viscosidadeviscosidade
¡ Sistema Sol (ã temperaturas)n Asfaltenos bem dispersos nos óleos maltenosn Ocorre em altas temperaturasnn
CAP se comporta como um lCAP se comporta como um l
ííquido viscosoquido viscoso (Newtoniano)
¡ Sistema Gel (ä temperaturas)n Asfaltenos juntando-se aos óleos maltenos, formando cadeiasn Ocorre em baixas temperaturasnn Comportamento como um sComportamento como um sóólidolido--eleláásticostico (Tensões proporcionais às
deformações)¡ Normalmente: Sistema Sol-Gel
óleos
Maltenos
Resina
Asfaltenos
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CAP’s
n Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP)¡ Propriedades Reológicas (materiais não-líquidos e não-sólidos)
n Visco-elasto-plástico e Termo-suscetível (comportamento dependente datemperatura e do tempo de aplicação da carga)
n Sofrem transformações químicas quando exposto à¡ Radiação solar ¡ Águas ácidas e sulfatadas¡ Ações de óleos, graxas, lubrificantes e combustíveis de veículos
n Processo de oxidação do ligante¡ Elevadas temperaturas (durante usinagem) e ação da radiação solar (pista)¡ Evaporação dos óleos¡ Resinas se transformam em asfaltenos¡ Resultado: aumento da viscosidade do CAP, tornandoaumento da viscosidade do CAP, tornando--o mais fr o mais fr áágil (quebradigil (quebradiççoo
e comprometendo seu comportamento frentee comprometendo seu comportamento frente àà esfor esfor çços repetitivos/Fadiga)os repetitivos/Fadiga)¡¡ Os agentes externos mencionados transformam maltenos em asfaltenOs agentes externos mencionados transformam maltenos em asfaltenos...os...
SituaSituaçção tão tíípica de misturas asf pica de misturas asf áálticas antigaslticas antigasn Excesso de Asfalteno (mais de 30%) ð Perda de elasticidade (frágil)n Escassez de Asfalteno (menos de 20%) ð Elevada suscetibilidade térmica e
deformação plástica excessiva (trilhas de roda)¡ Comportamento é dependente do petróleo de origem e do processo de
obtenção (refino)
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Classificação dos CAP’s
n Quanto à Penetração ou consistência¡ Medida em décimos de milímetros da penetração no CAP
de uma agulha padronizada (100g), sob determinadascondições (tempo-5s e temperatura-25°C)n CAP Duro ð penetração entre 30 e 45 x10-1 mm
n CAP Médio ð penetração entre 50-70 e 85-100 x10-1 mmn CAP Mole ð penetração entre 150 e 200 x10-1 mm
¡¡ EspecificaEspecificaççãoão atualatual dos CAPdos CAP’’s fundamentada nas fundamentada napenetrapenetraççãoão
Fonte: Notas de Aula Prof. LucianoFonte: Notas de Aula Prof. Luciano SpechtSpecht
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Classificação dos CAP’s
n Quanto à Viscosidade¡ Relacionada com sua fricção interna (medida da resistência ao escoamento)¡ Propriedade importante para a determinação das temperaturas de:
nn Mistura do CAPMistura do CAPnn Espalhamento do CBUQEspalhamento do CBUQnn CompactaCompactaçção do CBUQão do CBUQ
¡ Medida em Poise a 60°Cn CAP-7 (viscosidade mínima de 700 Poise)nn CAPCAP--20 (viscosidade m20 (viscosidade míínima de 2.000nima de 2.000 PoisePoise))
n CAP-40 (viscosidade mínima de 4.000 Poise)¡¡ Fundamentava aFundamentava a antigaantiga especificaespecificaçção dos CAPão dos CAP’’s no Brasils no Brasil
Fonte: Notas de Aula Prof. LucianoFonte: Notas de Aula Prof. Luciano SpechtSpecht Fonte:Fonte: BernucciBernucci etet al. 2006al. 2006
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Principais Propriedades Físicas dos CAP’s
n Durabilidade¡ Capacidade de o CAP, exposto às condições climáticas ou processos de
envelhecimento, preservar suas propriedades originais
n Adesividade¡ Propriedade relativa à tendência do CAP “colar” no agregado
¡ Pode requerer melhoradores de adesividade (dopes e filler calcário)
¡ Asfaltos modificados com polímeros melhoram tal propriedade
n Suscetibilidade Térmica¡ ñT ò Viscosidade
¡ Propriedade importante na fase de mistura e no desempenho de pavimentos(deformações nas trilhas de roda)
¡ Propriedade dependente da origem do petróleo cru
Fonte: Magalhães (2004)Fonte: Magalhães (2004)
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Principais Propriedades Físicas dos CAP’s
n Endurecimento/Envelhecimento¡ Decorrente da Oxidação do CAP
n Elevadas temperaturas (Usinagem)
n Ação contínua dos fatores climáticos (Radiação Solar)
¡ Perda da ductilidade – torna-o frágil
¡ Fissuração precoce do CBUQ
Fonte:Fonte: BernucciBernucci etet al. 2006al. 2006
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Principais Propriedades Físicas dos CAP’s
n Oxidação/Queima do CAP durante a Usinagem¡ Fissuração Precoce do CBUQ (menos de 6 meses)
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Principais Propriedades Físicas dos CAP’s
n Endurecimento/Envelhecimento
Fonte: BASMFonte: BASM
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Principais Propriedades Físicas dos CAP’s
n Ductilidade¡ Propriedade do CAP relativo ao
alongamento de suas fibras semcaracterização da ruptura do mesmo
¡ ñ Ductilidadeñ sensíveis às condiçõesclimáticasñ propriedades aglutinantes.
No entanto, podem constituir CBUQ maispropenso à deformação plástica
Fonte: ConstrutoraFonte: Construtora HecoHeco S/AS/A
Fonte: Notas de Aula Prof. LucianoFonte: Notas de Aula Prof. Luciano SpechtSpecht
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Especificações dos CAP’s
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CAP’s Especiais
n CAP’s Poliméricos¡ Objetivo das modificações do CAP
n Torná-lo mais rígido (reduzir suas deformações)
n Fazê-lo mais “mole” para aliviar os esforços nas misturas betuminosas(maior recuperação elástica e melhor comportamento frente à fadiga)
¡ Efeito da adição de Polímeros
n Elevação da Coesão do CAPn Redução da Suscetibilidade Térmica
n Redução da viscosidade à temperatura de mistura e aplicação
n Redução da fluência (deformações nas trilhas de roda)
n Elevação da resistência do CAP frente¡ Deformação Plástica
¡ Fissuração¡ Fadiga
n Boa adesividade (inclusive com o paralelepípedo)
n Redução do envelhecimento/oxidação dos CAP’s
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CAP’s Especiais
n CAP’s Poliméricos¡ Polímeros
n Compostos químicos orgânicosn Obtenção:
¡ Madeira, óleos lubrificantes, cortiça¡ Artificialmente - Sintéticos
¡ Tipos principais de Polímeros empregados em Pavimentaçãonn TermoplTermopláásticossticos: amolecem quando aquecidos e endurecem ao serem
resfriados¡ EVA (Etileno Acetato de Vinila)
nn ElastômerosElastômeros: propriedades elásticas semelhantes às borrachas; ao seremaquecidos, se decompõem antes mesmo de amolecerem¡ Empregados em emulsão e CAP’s¡ SBR (Styrene-Butadiene-Rubber ou Estireno-Butadieno-Rubber) - Petrobrás
nn ElastômerosElastômeros TermoplTermopláásticossticos: comportamento de termoplásticos ao serem
aquecidos e elevada elasticidade quando resfriados¡¡ Po l Po l í í meros m ais empregados meros m ais empregados
¡ Empregados em emulsão e CAP’s¡ SBS (Styrene-Butadiene-Styrene ou Estireno-Butadieno-Estireno) – Ipiranga eIpiranga e
Petrobr Petrobr á á s s
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CAP’s Especiais
n CAP’s Poliméricos¡ Efeito do Polímero nas propriedades básicas do CAP-20
¡ Em misturas abertas, os polímeros contribuem para a
redução da oxidação
Características CAP-20 CAP-20 + 4%SBS CAP-20 + 6%SBS
Recuperação Elástica (%) 11 80 90
Penetração a 25°C (0,1mm) 59 74 75
Ponto de Fulgor (°C) 358 320 310
Viscosidade Saybolt-Furol a 165°C (s) 47 100 168
Viscosidade Absoluta a 60°C (Poise) 2.211 5.784 54.563
Ponto de Amolecimento (°C) 51 60 73
Fonte: DNER, 1998
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CAP’s Especiais
n CAP’s Poliméricos¡ Vantagens e Desvantagens (Fonte: Bernucci et al, 2006)
VANTAGENS¡ maior coesão¡ melhor adesão
¡ alta viscosidade*¡ resistência ao envelhecimento**¡ maior elasticidade¡ resistência a tensões cisalhantes¡ maior benefício/custo
DESVANTAGENSo risco de estocagem a longo prazo
o risco de ligante heterogêneoo Maior custo
* evita reflexão de trincas
** asfalto borracha se destaca entre os demais nestas propriedades
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CAP’s Especiais
n Asfalto Borracha¡ Apelo ambiental – redução do passivo
¡ Borracha triturada de pneusn Emprego como Agregado
nn Modificador de CAPModificador de CAP
¡ Borracha triturada (diâm < 2mm)¡ Adição ao CAP em tanques aquecidos (200°C) +
agitadores/misturadores
¡ Teor de borracha no CAP
n ˜ 15% para CAP’s destinados a misturas densasn 18-25% para CAP’s destinados a misturas abertas ou descontínuas
¡ Melhoram o comportamento elástico do CAP
Fonte:Fonte: BernucciBernucci etet al. 2006al. 2006
ConvencionalConvencional AsfaltoAsfalto--BorrachaBorracha
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CAP’s Especiais
n
Asfalto Borracha
Fonte:Fonte: BernucciBernucci etet al. 2006al. 2006
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CAP’s Liquefeitos
n CAP’s à temperatura ambiente¡ Semi-sólidos
n Alguns serviços de pavimentação necessitam de CAP’s fluídosna pista¡ Solução:
n Aquecer o CAP
n Torná-lo menos viscoso e liquefeito à temperatura de trabalho:¡¡ Asfal tos Di lu Asfal tos Di lu í í dos dos
¡¡ Emulsões A sf Emulsões A sf á á lticas lt icas
nn Asfaltos DiluAsfaltos Diluíídos (AD)dos (AD)¡ CAP’s liquefeitos por adição e mistura de solventes (destilados leves de
petróleo)¡ Cura dos AD: evaporação dos solventes quando de sua exposição às
condições ambientais, restando somente o CAP
¡ Tal diluição, reduz a viscosidade do conjunto, possibilitando seuemprego em condições ambientais de temperatura
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CAP’s Liquefeitos
n Asfaltos Diluídos (AD)¡ Conforme o diluente empregado, tem-se os AD de Cura Rápida (Nafta
ou Gasolina) ou Média (Querosene)
¡ Classificam-se por sua Viscosidade
¡ Empregon Impermeabilização de camadas
n Ligação/aderência entre bases de solos/agregados e revestimentos (CA eCCP)
nn CMCM--3030¡ Imprimação/impermeabilização de superfícies com textura fechada
nn CMCM--7070¡ Imprimação/impermeabilização de superfícies com textura aberta
nn CRCR--7070¡ Pintura de ligação sobre superfícies não absorventes
nn CRCR--7070¡ Tratamentos superficiais invertidos e pré-misturados a frio
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CAP’s Liquefeitos
n Asfaltos Diluídos (AD)¡ Exemplo de Aplicação
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CAP’s Liquefeitos
n Asfaltos Diluídos (AD)¡ Exemplo de Aplicação
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CAP’s Liquefeitos
n Asfaltos Diluídos de Cura Média – Especificações (DNER-EM 363/97)
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CAP’s Liquefeitos
n Asfaltos Diluídos de Cura Rápida – Especificações (DNER-EM 362/97)
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)¡ Produzidas a partir da adição de água e agentes emulsificantes - em
pequena proporção (0,2-1%) - ao CAP
¡ Fabricação:n Diluição do CAP em meio solventeð fase sólida
n Fase líquida ð água+emulsificante+solvente+ácido
n Mistura-se, energicamente, as duas fases (sólida e líquida)n Emprega-se produtos tenso-ativos para reduzir a tensão interfacial
asfalto/água
¡ Emulsificante:n Afinidade com o asfalto e com a água (sal de amina, base fraca ou sal de
amônia)
n Darão origem às emulsões aniônicas e catiônicascatiônicas¡ Teor de ligante na emulsão: 60-70% volume
¡ Viscosidade da Emulsão:n Função da quantidade de CAP na mistura
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)
Fonte:Fonte: BernucciBernucci etet al. 2006al. 2006
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)¡ Ruptura da Emulsão
n Conversão do produto em duas fases (liquida/evapora + sólida/CAP)
n CAP da emulsão reage com o agregado, sendo adsorvido pelasuperfície do material pétreo
n A ruptura também se processa pela evaporação da água presente
na emulsãon Evidência da cura
¡ Marrom ð Preta
n Velocidade da Ruptura, função¡ Tipo e quantidade de emulsificante
¡ Quantidade e viscosidade do CAP¡ Superfície específica do agregado
¡ Temperatura de aplicação (ambiente) e do agregado
¡ Umidade da superfície de aplicação
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CAP’s Liquefeitos
n Fatores que Afetam a Ruptura das Emulsões AsfálticasFATORES QUE RETARDAM
A RUPTURA
Emprego de um asfalto dealta viscosidade (cimentos
asfálticos)
Pequena concentraçãode asfalto
Emprego de uma elevadaquantidade de emulsivo
Emprego de um emulsivoaniônico
Utilização de um material úmidopouco reativo e uma pequena
superfície específicaTemperatura ambiente.Temperatura baixa dos
agregados e da emulsão
Ausência ou pequena agitaçãodas misturas emulsão +
agregados
FATORES QUE ACELERAM
A RUPTURA
Emprego de um asfalto debaixa viscosidade (asfaltos
diluídos ou fluxados)
Concentração deasfalto elevada
Emprego de uma pequenaquantidade de emulsivo
Emprego de umemulsivo catiônico
Utilização de um materialseco reativo e com alta
superfície específica
Temperatura ambiente.Temperatura alta dos
agregados e da emulsão
Agitação intensa da misturaemulsão + agregados
F o n t e :
F o n t e : B e r n u c c i
B e r n u c c i e t e t a l . 2 0 0 6
a l . 2 0 0 6
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)¡ Classificação
n Velocidade de Ruptura (RR, RM e RL)
n Viscosidade (1C e 2C)¡ 1C ð menor viscosidade e menor teor de resíduo
n LA-1C e LA-2C são produzidas para Lama Asfáltica¡ CAP-7 ou CAP-20 (classificação antiga do CAP)
¡ Ruptura Lenta
¡ Catiônica ou Aniônica
n Emulsões Asfálticas Modificadas com Polímeros¡ Emprego do polímero SBS
¡ Utilizadas para:n Micro-revestimentos asfálticos a frio
n Tratamentos superficiais
n Objetivo: Rejuvenescimento da camada de rolamento e manutençãopreventiva
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas Catiônicas – Especificações (DNER-EM
369/97)
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas Lama – Especificações (DNER-EM 365/97)
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)¡ Aplicação
n RR-1C e RR-2C¡ Pintura de Ligação, tratamentos superficiais, macadame betuminoso
n RM-1C e RM-2C¡ Pintura de Ligação, pré-misturado a frio, areia-asfalto
n RL-1C¡ Pintura de Ligação, pré-misturado a frio, areia-asfalto, solo-betume
n LA-1C e LA-2C¡ Lama asfáltica, solo-betume
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)¡ Exemplos de Aplicação
n Pintura de ligação
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)¡ Exemplos de Aplicação
n Pintura de ligação
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)¡ Exemplos de Aplicação
n Tratamentos Superficiais
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)¡ Exemplos de Aplicação
n Lama Asfáltica
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CAP’s Liquefeitos
n Emulsões Asfálticas (EA)¡ Exemplos de Aplicação
n Micro-revestimento Asfáltico a Frio
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Transporte e Estocagem
n
Transporte em Caminhões-Tanque¡ CAP – necessita aquecimento e sistema de circulação doasfalto para distribuição uniforme do calor
n Tanques de Estocagem deverão estar limpos e secos
n
Sistemas de aquecimento dos CAP’s e AD’s¡ Preferencialmente por meio de serpentinas instaladas
dentro do tanque (circulando óleo aquecido)
¡ Evitar aquecimento por chama direta ð oxidação do CAP
¡ Temperatura deve ser inferior ao ponto de Fulgor
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Transporte e Estocagem
Fonte: Balbo, 2007Fonte: Balbo, 2007
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Transporte e Estocagem
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Transporte e Estocagem
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Mercado Brasileiro
PAVIMENTAÇÃ O X LIGANTE ASFÁLTICO PAVIMENTAÇÃ O X LIGANTE ASFÁLTICO
PAÍS REDEPAVIMENTADA
(km)
CONSUMO DEASFALTOS
(ton /ano)
CONSUMO DEEMULSÃO
ASFÁLTICA(ton /ano)
RELAÇÃO DEEMULSÃO /ASFALTO
(%)
EUA 3.600.000 25.000.000 2.300.000 9
FRANÇA 1.740.000 3.000.000 1.200.000 40
MÉXICO
BRASIL 153.000 1.600.000 500.000 31
ESPANHA 180.000 1.500.000 350.000 23
100.000 1.000.000 550.000 55
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Propriedade Reológica - CAP
n Elevada Temperatura e Pequena Velocidade_ Def. Plástica
ou Permanente (Trilhas de Roda)
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Propriedade Reológica - CAP
n Baixas Temperaturas e Velocidade Operacional _ Fissuração
(Trincamento)_ Ruptura por Fadiga do CBUQ