Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE – UFCG CETNRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS – CTRN UNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO EXPERIMENTAL TURMA: 03 PROFESSORA: ANA MARIA GONÇALVES DUARTE MENDONÇA ALUNOS: - FRANCISCO DE ASSIS CORREIA DINIZ FILHO (120110764) - JOÃO PEDRO SILVEIRA SALUSTIANO (120110367) CARACTERIZAÇÃO E ENSAIOS DE MATERIAIS BETUMINOSOS CAMPINA GRANDE, 31/10/2022 SUMÁRIO 1-INTRODUÇÃO .....................................................................................................................3 2-REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.............................................................................................4 2.1 Materiais Betuminosos – Definição e principais características..........................4 2.2 Histórico e obtenção................................................................................................4 2.3 Principais Classificações.........................................................................................5 2.4 Principais Classificações.........................................................................................7 3-ENSAIO PONTO DE FULGOR..........................................................................................9 3.1Objetivos...................................................................................................................9 3.2 Materiais ................................................................................................................. 9 3.3 Métodos .................................................................................................................10 3.4 Resultados............................................................................................................. 11 3.5 Análise dos resultados .......................................................................................... 11 4-ENSAIO DE PENETRAÇÃO.............................................................................................12 4.1 Objetivos................................................................................................................12 4.2 Materiais................................................................................................................ 12 4.3 Métodos .................................................................................................................12 4.4 Resultados ............................................................................................................. 13 4.5 Análise dos resultados .......................................................................................... 15 5-ENSAIO DE PONTO DE AMOLECIMENTO.................................................................16 5.1 Objetivos. ...............................................................................................................16 5.2 Materiais ............................................................................................................... 16 5.3 Métodos .................................................................................................................17 5.4 Resultados ............................................................................................................. 18 5.5 Análise dos resultados........................................................................................... 18 6-ENSAIO DE VISCOSIDADE SAYBOL-FUROL.............................................................19 6.1 Objetivos................................................................................................................19 6.2 Materiais ............................................................................................................... 19 6.3 Métodos..................................................................................................................19 6.4 Resultados............................................................................................................. 19 7-CONCLUSÕES....................................................................................................................21 8-REFERÊNCIAS...................................................................................................................22 3 7 INTRODUÇÃO Este relatório tem o objetivo de descrever os procedimentos necessários para a realização de ensaios referentes aos materiais betuminosos que são ofertados pela disciplina de Materiais de Construção Experimental dentro do Curso de Graduação em Engenharia Civil na Universidade Federal de Campina Grande. Os ensaios foram realizados no Laboratório de Pavimentação da universidade e foram realizados na seguinte sequência: Ponto de Fulgor, Penetração, Ponto de Amolecimento e Viscosidade Saybolt-Furol. Em suma, foram ensaios facilmente executáveis e normatizados que ofereceram medidas aproximadas do comportamento do material sob determinadas condições. Dessa forma, ressalta-se que neste relatório é considerado não apenas os passos que foram feitos em laboratórios, mas sim os que já são pré-estabelecidos pela norma a fim de ser feito análises do experimento. 4 8 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os materiais betuminosos são o foco principal dessa primeira parte da disciplina, assim, faz-se necessário uma revisão bibliográfica para entender o comportamento e as características do material que iremos trabalhar: 8.1 Materiais Betuminosos – Definição e principais características Materiais betuminosos são associações de hidrocarbonetos solúveis em bissulfeto de carbono e são subdivididos em duas categorias: os asfaltos e os alcatrões. Originados, principalmente pela queima do petróleo e carvão, respectivamente. Dentre as suas principais características pode-se destacar: - Impermeável: resistente e impenetrável a água; - Inerte: não reage quimicamente com a maioria dos materiais de construção como o cimento e cal, etc.; - Alta plasticidade: capacidade de moldagem elevada; - Termoplásticos: facilmente fundidos e solidificados; - Adesivos e aglomerantes: conseguem grudar em quase todo lugar e não há necessidade do uso de água, o que confere a sua principal aplicação como ligante. Em tese, a caracterização dos materiais betuminosos deveria se basear em coeficientes reológicos devido às deformações plásticas, elásticas e viscosas do material. Entretanto, na prática são utilizados ensaios de fácil execução, devidamente normalizados, que descrevem aproximadamente o comportamento do material, submetido a determinadas condições. 8.2 Histórico e obtenção A obtenção dos materiais betuminosos é dada pela queima do petróleo e pela destilação fracionada de todas as cadeias carbônicas que compõem o material, após todas as frações serem separadas e selecionadas, o restante obtido é o material asfáltico (Figura 1). 5 Figura 1: Destilação Fracionada ocasionada pela queima do petróleo Entretanto, desde a Antiguidade, o material betuminoso tem sido usado como um cimento para aglutinar, revestir e impermeabilizar objetos e é um dos materiais mais versáteis produtos da natureza. Os primeiros asfaltos ocorriam na natureza e eram encontrados em camadas geológicas e foram utilizados até o início do século XX, mas, a partir de 1909, iniciou- se o emprego do asfalto derivado o petróleo ganhou mercado e constitui a principal fonte do mercado, devido as suas características de economia e pureza. O asfalto empregado atualmente, obtido pelo processo citado anteriormente, é o resultante final após todo um processo de separação de misturas, onde se obtém frações leves como a gasolina, querosene e diesel, após a vaporização, fracionamento e condensação em torres, o resíduo obtido é o Cimento Asfáltico de Petróleo, ou como conhecemos, o CAP. 8.3 Principais Classificações Na figura 2, observa-seum esquema que classifica as principais misturas conhecidas atualmente de ligantes betuminosos e asfálticos e que são divididos em três grandes grupos: os asfaltos naturais – obtidos, como o nome já diz, de forma natural e por afloramento, os asfaltos de petróleo – obtidos pela queima e obtenção do petróleo, e os alcatrões – obtidos pela queima do carvão. 6 Figura 2: Classificação dos Ligantes Betuminosos - ASFALTOS NATURAIS: são originados pelo petróleo que surge na superfície da terra e sofre uma espécie de destilação natural causada pela ação do sol e do vento, que retiram os gases e óleos leves e deixam um resíduo duro e que aflora em jazidas, chamado de asfalto natural. - ASFALTOS DE PETRÓLEO: o produto mais utilizado e conhecido no mercado e é obtido pelos processos já falados aqui de destilação fracionada pela queima do petróleo. Dentro dessas subdivisões, pode-se destacar como principais: - CIMENTO ASFÁLTICO DE PETRÓLEO (CAP): obtido especialmente para apresentar características adequadas para o uso na construção de pavimentos e é um dos produtos betuminosos mais utilizados dentro do mercado. Possuem características de flexibilidade, durabilidade, aglutinação, impermeabilização e elevada resistência à ação da maioria dos ácidos, sais e álcalis. São classificados pelo seu grau de dureza que será retratado no ensaio de penetração, ou pela viscosidade, retratada no ensaio de Saybolt- Furol. Quanto menor a penetração, “mais duro” é o cimento asfáltico. - ASFALTO DILUÍDO: trata-se de diluições de cimentos asfálticos em solventes derivados de petróleo com volatilidade adequada, quando há a necessidade de eliminar o aquecimento do CAP, ou utilizar um aquecimento moderado. A evaporação total do solvente após a aplicação do asfalto diluído deixa como resíduo o CAP que 7 desenvolve então as propriedades necessárias. A essa evaporação, dá-se o nome de cura do asfalto diluído e é um parâmetro utilizado para sua classificação: - Asfalto Diluído – cura rápida - CR: (CAP + fração leve, gasolina); - Asfalto Diluído – cura média – CM: (CAP + fração média, querosene); - Asfalto diluído – cura lenta – CL: (CAP + fração pesada, óleo diesel). - EMULSÃO ASFÁLTICA: trata-se de uma dispersão coloidal de uma fase asfáltica em uma base aquosa (direta) ou então uma fase aquosa em uma fase asfáltica (inversa), com ajuda de um agente emulsificante. A esse fenômeno de separação material betuminoso-água dá-se o nome de ruptura da emulsão e também é classificado como parâmetro para classificação: - Ruptura rápida – RR: aplicada em pinturas de ligação e na construção de revestimentos por penetração; - Ruptura média – RM: utilizada para mistura com agregados graúdos e miúdos; - Ruptura lenta – RL: utilizada para mistura com agregados graúdos e miúdos. - ALCATRÕES: por fim, os alcatrões são obtidos através da destilação do carvão e são pouco usuais na construção civil devido ao seu custo e por não possuir as características necessárias de um ligante betuminoso. 8.4 Principais Classificações Dentre as principais aplicações do material betuminoso, podemos destacar: - Pavimento asfáltico: criados a partir de materiais betuminosos puros ou sem mistura; - Imprimações ou pinturas de ligação: uma fina camada feita de asfaltos diluídas aplicada diretamente sobre o solo para servir como impermeabilização e aderência ou em pavimentos antigos para servir apenas como aderente; - Impermeabilização: oferece proteção das construções contra a infiltração de água; - Mantas asfálticas: moldadas a calor na forma de tecido; 8 - Solo-asfalto: mistura de asfalto e solo natural para ganhar estabilização, mas sem ser apropriada para o tráfego; - Concreto asfáltico: pavimentos únicos do tipo hotmixed, com graduação compacta, preparados com dosagem racional e aplicados com técnicas avançadas - Asfalto modificado com polímeros: adição de polímeros para aumentar a homogeneidade, durabilidade e elasticidade do material; - Asfalto modificado com fibras: aumenta a resistência mecânica do pavimento. Vale salientar que os asfaltos de petróleo são os mais aplicáveis e os mais apropriados para trabalhar e aplicar dentro do mercado da construção civil, tendo destaque para o CAP, que será o material com características a serem determinadas nos ensaios a seguir. 9 9 ENSAIO – PONTO DE FULGOR O ponto de fulgor pode ser definido como sendo a menor temperatura que um líquido inflamável emite vapores em quantidade combustão suficiente para uma mistura e ignição momentânea. Dessa forma, esse valor irá servir diretamente para determinar uma relativa segurança no uso e manuseio do objeto inflamável. No caso das misturas asfálticas e materiais betuminosos, é fundamental determinar essa temperatura a fim de garantir segurança no manuseio, transporte e controle da mistura juntamente com eficiência tornando o material a ser usado com melhor qualidade e eficiência. Em suma, pode-se determinar que esse é um ensaio de segurança do material que irá ser trabalhado e é normatizado pela ABNT NBR 11341 – Determinação dos pontos de fulgor e de combustão em vaso aberto Cleveland. A norma também determina o ponto de combustão do material, que seria a menor temperatura em que a amostra após se inflamar pela passagem da chama piloto, continua queimando por 5s, no mínimo. Entretanto, em laboratório e nesse tópico, iremos tratar apenas do ponto de fulgor, haja vista que trabalhando em temperaturas até esse determinado ponto, assegura-se que o material não inflame e garanta segurança. 9.1 Objetivos Verificar e determinar a temperatura na qual ou acima o material betuminoso se inflama. 9.2 Materiais - Vaso aberto de Cleveland; - Bico de Nusen; - Chama Piloto; - Termômetro; - Tripé de Fogareiro; - Fonte de Aquecimento; 10 9.3 Métodos Os procedimentos são baseados na norma da ABNT – NBR 11341/2004 – Método de Cleveland. Primeiramente, colocou-se uma amostra de asfalto diluído de cura média no vaso de Cleveland até a referência indicada, tomando-se cuidado de não exceder o limite indicado, pois caso isso acontecesse seria necessário esvaziar, limpar e reencher o caso novamente. A preferência de se utilizar o asfalto diluído ao invés do CAP foi devido ao seu ponto de fulgor ser mais baixo, possibilitando assim as realizações do ensaio dentro das limitações do laboratório. Inicialmente, é necessário acender o Bico de Busen e, posteriormente, ajustar o termômetro de modo que ele ficasse a uma distância de 0,64cm do fundo do vaso de Cleveland e verificou-se uma temperatura inicial de 30,0ºC. Em seguida, acendeu-se uma chama piloto que já estava regulada para o diâmetro de 3,2mm e 4,8mm, que é correspondente ao tamanho da esfera de comparação do aparelho. Observando o aquecimento da amostra a espera que acontecesse o primeiro lampejo, a chama piloto era passada num plano horizontal em movimentos circulares e constantes sobre a amostra, onde cada passagem deve ter durado, aproximadamente 1 segundo, conforme mostra a figura 3. Figura 3: Passagem da chama piloto pela amostra 11 O primeiro lampejo provocado pelos vapores foi medido a temperatura de 53ºC, denominada de ponto de fulgor. Para verificar um ponto de combustão seria necessário ter continuado o aquecimento até que a amostra inflamada pela chama piloto permanecesse queimando durante 5s e anotava a temperatura correspondente a esse ponto, porém, essa verificação não foi feita. 9.4 Resultados No ensaio realizado, verificou-se que ponto de fulgor da amostra se deu na temperatura igual a 53ºC. Vale salientar que o ponto de combustão não foi verificado. 9.5 Análise dos resultados Através desse ensaio, consegue-se garantir uma medida de temperatura de segurança a fim de avaliar as condições do serviço que um material betuminoso pode suportarcom segurança, evitando assim, incêndios. 12 10 ENSAIO DE PENETRAÇÃO 10.1 Objetivos O ensaio de penetração tem como objetivo determinar a dureza do CAP, sendo essa grandeza usada comumente para a classificação do tipo de Cimento Asfáltico de Petróleo. 10.2 Materiais - Amostra de CAP 50-70; - Agulhas; - Penetrômetro; - Cronômetro. 10.3 Métodos O ensaio de penetração tem seu procedimento padronizado pela norma NORMA DNIT 155/2010-ME, onde o mesmo tem como intuito determinar a dureza e consequentemente a resistência do material. O primeiro passo do processo começa ao separar uma amostra de CAP e ajustá-lo ao penetrômetro. Como não foi determinado nenhuma condição especial para o ensaio, utilizamos os dados como temperatura de 25ºC, a carga de 100g e o tempo do ensaio de 5s. Como foi dito anteriormente, o ensaio não foi determinado nenhuma condição especial deve-se usar a carga 100g, para isso, adiciona-se um peso de 50g acima da agulha fazendo com que a carga total seja igual a 100g. A agulha é ajustada sobre a amostra de modo que a mesma esteja o mais próximo possível sem que faça pressão no CAP. Com a amostra, agulha, carga e termômetro preparado, a carga liberada através de uma haste que libera a agulha com seu peso por 5s e então a agulha é novamente travada. Ainda com a agulha travada é feita a leitura em décimos de mm através do penetrômetro, sendo essa a nomenclatura dada quanto à classe do CAP. O processo foi executado repetidas vezes, sempre trocando a agulha a cada processo e ajustando a mesma a uma distância de 1cm de qualquer outra penetração feita anteriormente para que o furo anterior não interfira no resultado do 13 ensaio. Como especificado na lista de materiais, a amostra pertence ao CAP 50-70 e em todos os procedimentos (com exceção de uma tentativa a qual o cronômetro foi acionado antecipadamente da liberação da agulha) a leitura esteve dentro do desejado que é entre 50 e 70 décimos de milímetro. 10.4 Resultados Como especificado na lista de materiais, a amostra é do tipo CAP 50-70 e em todos os procedimentos (com exceção de uma tentativa a qual o cronômetro foi acionado antecipadamente da liberação da agulha) a leitura esteve dentro do desejado que é entre 50 e 70 décimos de milímetro. A seguir podemos ver na Tabela 1 e imagens correspondentes com o nome de cada operador do penetrômetro e seu resultado. Tabela 1: Resultados OPERADOR RESULTADO (décimos de mm) Francisco 50 Manuela 42 Maria Eduarda 55,5 Hillary 56 Amanda 50 Eduarda Helena 55 Figura 4: Francisco 14 Figura 5: Manuela Figura 6: Maria Eduarda Figura 7: Hillary 15 Figura 8: Hillary Figura 9: Hillary 10.5 Análise dos Resultados A partir dos resultados mostrados acima – com exceção do ensaio operado pela Manuela, onde houve uma complicação com o cronometro – pode-se concluir que a amostra apresentou o comportamento esperado, isto é, esteve dentro da margem de 50 à 70 décimos de milímetro para a classificação do seu tipo de CAP. 16 11 ENSAIO DO PONTO DE AMOLECIMENTO O ponto de amolecimento é a temperatura lida no momento em que uma esfera metálica padronizada, atravessando um anel também padronizado, perfeitamente cheio com material betuminoso, toca uma placa de referência após ter percorrido uma distância de 25,4mm sob condições especificadas. Esse ensaio é padronizado pela norma DNIT 131/2010 -ME – Materiais asfálticos – Determinação do ponto de amolecimento – Método do Anel e Bola. 11.1 Objetivo Esta seção tem por objetivo determinar o ponto de amolecimento – temperatura em que uma substância flui uma determinada distância sob condições específicas – de um CAP 50-70 via método do anel e bola. 11.2 Materiais - Anéis de latão; - Guia das bolas, para manter cada bola centrada no anel; - Bolas de aço, com massas entre 3,50g e 3,55g, com 9,50mm de diâmetro; - Suporte de latão, para anéis e termômetro; - Béquer de vidro, termo resistente, forma baixa, com capacidade de 800ml; - Termômetro de vidro; - Bico e Bunsen; - Espátula metálica plana, com cabo de madeira; - Placa de latão para moldagem do material nos anéis; - Bastão de vidro, com pontas arredondadas; - Banho capaz de manter a temperatura do ensaio; - Reagente: água. 17 11.3 Métodos Inicialmente, deve-se preparar o molde a ser utilizado para o ensaio. Para isso, a placa de latão deve ser tratada com mistura de glicerina e dextrina em partes iguais a fim de promover a sua limpeza. Após isso, os anéis devem ser aquecidos aproximadamente à temperatura que a amostra flua facilmente. Assim, a amostra é colocada sob a placa de latão que deve ser completamente plana e nivelada de modo a encher os anéis com material asfáltico e a espessura da amostra seja constante. Para preparar a amostra, o material asfáltico deve ser aquecido a fim de tornar-se fluido e agitado a fim de tornar-se homogêneo. Vale salientar que esse aquecimento não deve ser superior a 110ºC que pode ser considerado como um Ponto de Amolecimento provável. Após esse aquecimento, deve-se encher os anéis com a amostra fluida de forma a permanecer um ligeiro excesso de material acima do topo dos anéis e após o resfriamento de 30 minutos ao ar. É interessante que todos esses procedimentos anteriores de preparação de amostra foram feitos previamente pelo técnico de laboratório a fim de garantir agilidade no ensaio no horário da aula. Após isso, foi feita a montagem do equipamento conforme mostra a figura 10, onde foi necessário nivelar e retirar o excesso de amostra em cada anel e colocar água destilada no béquer, até cobrir a mistura e o material betuminoso. A posição dos anéis deve ser bem observada e ter garantia que eles estão localizados no centro da amostra de tal modo que a distância até a placa inferior seja de 25,4mm (1pol) da borda de referência. Figura 10: Montagem do Ensaio 18 Após colocar o equipamento no béquer, deve-se posicionar o termômetro que deve ficar suspenso no suporte e encher o recipiente com água, aquecer toda a mistura e observar até que a bola de aço desloque a mistura até a placa inferior do recipiente e assim observar a temperatura que foi aferida (Figura 11). Figura 11: Deslocamento observado pela mistura asfáltica 11.4 Resultados A temperatura observada nas amostras 1 e 2 foram respectivamente 50ºC e 51ºC, logo, fazendo uma média das amostras, observou-se que 50,5ºC é a temperatura correspondente na qual a mistura asfáltica é aferida através desse ensaio. 11.5 Análise dos Resultados O valor obtido encontra-se dentro das margens pré-estabelecidas do material. Vale observar que a temperatura mínima do ponto de amolecimento seria 45ºC para um CAP 50-70. Portanto, a mistura utilizada e aferida encontra-se dentro dos parâmetros técnicos já estabelecidos. 19 12 ENSAIO DE VISCOSIDADE SAYBOL-FUROL 12.1 Objetivos Determinar de forma prática e indireta, a fluidez do CAP em estado líquido de acordo com temperaturas previamente determinadas 12.2 Materiais - Viscosímetro Saybolt Furol - Frasco receptor com marcação para o volume de 60ml - Termômetro (integrado ao viscosímetro) - Cronômetro 12.3 Métodos Com o frasco devidamente limpo e seco, ele é posicionado sob o orifício do viscosímetro que deve estar obstruído por uma rolha. Após o frasco posicionado, o CAP é inserido no viscosímetro já em estado líquido e a temperatura foi regulada a 135ºC, temperatura essa que foi determinada previamente para o ensaio. Após tudo devidamente preparado, a rolha que obstruí o orifício que que contém o CAP é retirada e no mesmo instante deve ser acionado o cronômetro, após isso observa-se que o material escorre preenchendo o frasco. O cronômetro deve ser parado assim que o material preencher o frasco até a marcação de referênciano frasco, o qual está sinaliza 60ml de CAP. Ao pausar o cronômetro observa-se o tempo de escoamento necessário para que a amostra preencha o volume determinado. 12.4 Resultados Com o volume determinado no frasco preenchido, o cronometro é parado e temos que o tempo necessário para que a amostra preencha 60ml foi de 5 minutos, 42 segundos e 65centésimos. Tempo esse obtido na temperatura de 135ºC. A seguir tem-se a imagem do viscosímetro já com o ensaio finalizado. 20 Figura 12: Volume do frasco totalmente preenchido pelo Viscosímetro 21 13 CONCLUSÕES A partir de tudo o que foi tratado nesse trabalho até o presente podemos concluir alguns tópicos a seguir: - Os ensaios de segurança são essenciais para garantir os limites estabelecidos que podemos ou não trabalhar com periculosidade. Determinar a temperatura do ponto de fulgor é essencial para isso, haja vista que será a medida que irá determinar até que ponto os gases de uma mistura começarão a serem soltos. Observou-se também que, mesmo com possíveis erros de aferição, chegou-se num resultado satisfatório. - No ensaio seguinte, de penetração, conseguiu-se comprovar a classificação do material, haja vista que o CAP 50-70 recebe esse nome porque a sua capacidade de penetração é medida entre 50 e 70 décimos de milímetro. Observando a leitura que diversos operadores fizeram, conseguimos chegar num valor observado favorável a esse intervalo. - No ponto de amolecimento, observou-se também valores que satisfizeram as normas técnicas e podemos também um procedimento robusto sendo executado com êxito. - Pode-se afirmar que isso também do ensaio de viscosidade que teve o seu objetivo alcançado. Mesmo que esse ensaio não consiga chegar no valor de viscosidade propriamente dita, consegue-se calcular esse valor, chamada de viscosidade cinemática, de maneira indireta. Em suma, os ensaios técnicos são responsáveis por caracterizar, regularizar, conhecer e ter um controle tecnológico daquele material que está sendo trabalhado, garantindo assim eficiência e reforçando as propriedades que o material possui da melhor maneira possível, contribuindo da melhor forma para o mercado da engenharia e para futuras pesquisas. 22 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT NBR 11341/2014. Derivados do Petróleo – Determinação dos pontos de fulgor e de combustão em vaso aberto Cleveland. Rio de Janeiro, 2014. DNER-ME 004/94. Material Betuminoso – determinação da viscosidade Saybolt- Furol a alta temperatura método da película delgada. Rio de Janeiro, 1994. DNIT 131/2010: Materiais asfálticos – Determinação do Ponto de Amolecimento – Método do Anel e da Bola. Rio de Janeiro, 2010. DNIT 155/2010-ME: Material asfáltico – Determinação da penetração – Método de ensaio, Rio de Janeiro, 2010. FIGUEIREDO, E. A. Betume. InfoEscola. Disponível em: < https://www.infoescola.com/quimica/betume/ >. Acesso em: 28/10/2022.
Compartilhar