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Universidade Federal de Campina Grande Centro Tecnológico de Recursos Naturais Curso de Engenharia Civil Disciplina: Materiais de Construção Experimental Professora: Carina Silvani Alunos: Deivson Maciel Barros - 120210432 Ranielson da Silva Santos - 120111036 José Lopes da Silva Neto - 119210465 Relatório de Experimento Materiais Betuminosos Campina Grande – PB 14 de Agosto de 2023 1. Introdução O objetivo do presente relatório é apresentar os protocolos essenciais para conduzir ensaios relacionados a materiais betuminosos, realizados no Laboratório de Pavimentação da UFCG. Este relatório abrange ensaios de Ponto de Fulgor, Penetração, Ponto de Amolecimento e Viscosidade Saybolt-Furol, além de abordar o Índice de Susceptibilidade Térmica (Pfeiffer e Van Doormaal). Na prática, empregam-se ensaios normatizados de execução simples, que proporcionam medições aproximadas do comportamento do material em determinadas condições. É relevante salientar que este relatório não somente descreve os procedimentos realizados em ambientes laboratoriais, mas também abrange as diretrizes das normas da ABNT, a fim de viabilizar análises coerentes dos experimentos realizados. 2. Revisão Bibliográfica Materiais Betuminosos Os materiais betuminosos têm desempenhado um papel fundamental na história da engenharia e da construção, desempenhando um papel crucial em diversas aplicações que vão desde pavimentação de estradas até impermeabilização de estruturas. Compostos principalmente por betume, um material viscoso e de origem natural ou refinada, esses materiais apresentam propriedades únicas que os tornam versáteis e indispensáveis em muitos setores da indústria. A caracterização de materiais betuminosos é crucial para entender como eles se comportam. Teoricamente, isso seria feito usando coeficientes reológicos, que medem a resposta do material a forças. No entanto, na prática, usam-se ensaios padronizados simples, que dão uma ideia geral de como o material se comporta em certas condições. Apesar de muitos ensaios serem feitos com esses materiais, nem sempre sabemos muito sobre suas características químicas. Os ensaios usam cálculos de probabilidade e seguem regras rígidas para obter resultados consistentes. Resumindo, a caracterização de materiais betuminosos mistura teoria e prática. Ensaios simples são comuns, embora a compreensão química ainda seja limitada. Origens e Produção do Asfalto Acredita-se que a origem da palavra "asfalto" remonta ao antigo Acádico "Asphaltic" e foi adotada pelos gregos na época de Homero, com o sentido de "tornar firme ou estável". Ao longo da história, o asfalto tem sido usado para aglutinar, revestir e impermeabilizar objetos, e é considerado um dos produtos mais versáteis fornecidos pela natureza. Inicialmente, o asfalto era encontrado naturalmente na geologia, em camadas da Terra, sendo denominado asfalto natural. Até o início do século 20, esse tipo de asfalto era amplamente utilizado. Porém, a partir de 1909, começou-se a usar o asfalto derivado do petróleo. Esse tipo de asfalto ganhou destaque devido às suas características econômicas e de pureza em comparação com os asfaltos naturais, tornando-se a principal fonte de suprimento. O asfalto moderno é um componente natural do petróleo e é obtido por meio do processo de destilação do petróleo. Nesse processo, as frações mais leves do petróleo, como gasolina, querosene e diesel, são separadas do asfalto por meio de vaporização, fracionamento e condensação em torres de fracionamento. O estágio final envolve a destilação a vácuo. O resíduo resultante, após a remoção das outras frações destiladas do petróleo, é conhecido como cimento asfáltico de petróleo, ou simplesmente CAP. Uso Contemporâneo do Asfalto O asfalto é amplamente empregado globalmente, principalmente para pavimentação, mas também desempenha um papel crucial na indústria de impermeabilização. Ele pode ser de origem natural (NA) ou derivado do petróleo (AP): Asfalto Natural (NA): Surge quando o petróleo sobe à superfície da terra e passa por uma forma de destilação natural, onde vento e sol eliminam os componentes leves, resultando em um resíduo extremamente rígido conhecido como asfalto natural. Asfalto de Petróleo (AP): É obtido como subproduto da destilação do petróleo, sendo mais abundante e acessível. Durante o processo de destilação, a fração mais pesada do petróleo produz derivados como nafta (usados na gasolina), querosene e diesel. Na pavimentação, o asfalto desempenha funções cruciais, tais como: ● Aglutinação: Promove uma ligação forte entre os agregados, capaz de resistir às forças mecânicas causadas pelo tráfego. ● Impermeabilização: Garante que o pavimento não seja infiltrado pela água da superfície. Além disso, os pavimentos asfálticos devem ser lisos, resistentes a derrapagens, desgaste, distorções e danos causados pelas condições climáticas e substâncias químicas de descongelamento, especialmente em regiões de clima temperado. Definição Os materiais betuminosos são misturas de hidrocarbonetos solúveis em bissulfeto de carbono (CS2), possuindo características aglutinantes. Eles se dividem em duas principais categorias: asfaltos e alcatrões, os quais serão explorados a seguir, juntamente com a definição de betume. Betume: Consiste em uma mistura de hidrocarbonetos mais densos, obtidos naturalmente ou por processos físicos e químicos diversos, juntamente com seus derivados. O betume possui diferentes consistências, exibindo propriedades aglutinantes e impermeabilizantes, sendo completamente solúvel no bissulfeto de carbono (CS2). Alcatrão: Surge quando materiais orgânicos naturais, como madeira e hulha (carvão), são submetidos a carbonização ou destilação destrutiva na ausência de oxigênio. Asfalto: É um material aglutinante de consistência variável, variando em cor de preto a castanho escuro. Quando aquecido, o asfalto gradualmente se torna líquido. Seu componente predominante é o betume, podendo ocorrer naturalmente ou ser obtido através do processo de refinação do petróleo. Consequentemente, o elemento principal tanto dos asfaltos quanto dos alcatrões é o betume. Entretanto, devido ao seu potencial cancerígeno, o alcatrão caiu em desuso e não será abordado neste estudo. Composição Química A composição química do asfalto é altamente complexa e varia de acordo com os processos de produção e a matéria-prima empregada. De maneira simplificada, é possível considerar o asfalto como uma mistura heterogênea de partículas de asfaltenos em um meio oleoso chamado malteno, formando uma dispersão coloidal. Classificação É possível categorizar o asfalto com base em sua penetração e viscosidade. No contexto de pavimentação, os materiais betuminosos mais utilizados englobam os cimentos asfálticos, os asfaltos diluídos e as emulsões asfálticas. Esses serão detalhados nas próximas seções. Cimento Asfáltico Este tipo de asfalto é especialmente desenvolvido para atender às exigências da construção de pavimentos. Pode ser obtido através da destilação do petróleo em refinarias, resultando no chamado CAP, ou a partir do asfalto natural encontrado em depósitos subterrâneos, conhecido como CAN. Esses cimentos asfálticos exibem propriedades como flexibilidade, durabilidade, capacidade de aglutinação e impermeabilização, além de alta resistência a diversos ácidos, sais e álcalis. Sua classificação é determinada pelo "grau de dureza", avaliado através do ensaio de penetração, ou pela viscosidade, medida pelo ensaio de Saybolt-Furol. Quanto menor for a penetração, maior será a "dureza" do cimento asfáltico. No Brasil, o Instituto Brasileiro de Petróleo define quatro tipos de CAP baseados na penetração: CAP 30-45, CAP 50-70 e CAP 150-200. As especificações brasileiras estão detalhadas na Tabela 01, considerando as propriedades físicas do material. Propriedades dos ligantes. Fonte: Bernucci et al (2008) Asfalto Diluído Também conhecidos como cut-backs, os asfaltos diluídos consistem em misturas de cimentos asfálticos com solventes derivadosdo petróleo, com volatilidade apropriada. Isso permite a eliminação do processo de aquecimento do CAP quando necessário ou o uso de aquecimento moderado. Após a aplicação do asfalto diluído, a completa evaporação do solvente deixa para trás o CAP, que então desenvolve as propriedades requeridas. Esse processo de evaporação é chamado de cura do asfalto diluído. Os asfaltos diluídos são classificados em três tipos, de acordo com o tempo necessário para a cura - o tempo de evaporação do solvente: ● Asfalto Diluído de Cura Rápida – CR: (CAP + fração leve, gasolina); ● Asfalto Diluído de Cura Média – CM: (CAP + fração média, querosene); ● Asfalto Diluído de Cura Lenta – CL: (CAP + fração pesada, óleo diesel). Emulsão Asfáltica Uma emulsão asfáltica é uma dispersão coloidal onde uma fase asfáltica é distribuída em uma fase aquosa (emulsão direta) ou onde uma fase aquosa é dispersa em uma fase asfáltica (emulsão inversa), com a assistência de um agente emulsificante. O processo de separação entre o material betuminoso e a água é chamado de ruptura da emulsão. Quanto à velocidade dessa ruptura, as emulsões asfálticas são categorizadas em três tipos: ● Ruptura Rápida (RR): indicada para pinturas de ligação e na construção de revestimentos por penetração. ● Ruptura Média (RM): usada na mistura com agregados de diferentes granulometrias. ● Ruptura Lenta (RL): empregada na mistura com agregados de diversos tamanhos. Em termos das vantagens das emulsões em processos de pavimentação, destacam-se o transporte, o armazenamento e a aplicação a frio em temperatura ambiente. 3. Ensaio de Penetração A avaliação da consistência de um cimento asfáltico em seu estado semissólido é realizada por meio do ensaio de penetração. Esse processo envolve determinar a profundidade, em décimos de milímetro, que uma agulha padronizada penetra verticalmente em uma amostra de cimento asfáltico a uma temperatura de 25ºC, exercendo uma massa total de 100g, por um período de 5 segundos. O grau de dureza do CAP é inversamente proporcional ao valor de penetração da agulha: um valor menor de penetração indica maior dureza. Por exemplo, o CAP-30/45 é mais rígido em comparação com o CAP-85/100. Embora esse ensaio por si só não caracterize integralmente a qualidade do cimento asfáltico, ele fornece uma indicação de sua dureza. Além disso, é usado em algumas especificações como parâmetro de classificação e, especialmente, para entender o comportamento do material betuminoso recuperado de revestimentos existentes. Valores de penetração inferiores a 15 (0,1 mm) são associados a betumes envelhecidos e quebradiços. Os resultados do ensaio de penetração têm desempenhado um papel significativo no estudo da reologia dos asfaltos. ● Objetivo Geral O ensaio consiste em estabelecer a medição ou índice de penetração, expresso em décimos de milímetro, no qual uma agulha padronizada penetra verticalmente em uma amostra de cimento asfáltico por um período de 5 segundos. Esse procedimento é realizado a uma temperatura de 25ºC, sob condições de carga pré-definidas (100g). ● Materiais Utilizados ○ Cuba de penetração; ○ Penetrômetro; ○ Agulha; ○ Banho d’água; ○ Cuba de transferência; ○ Termômetro; ○ Estufa; ○ Cronômetro. ● Procedimento Metodológico O ensaio de penetração consiste na medição da profundidade, em décimos de milímetros, que uma agulha padronizada, de 100g, penetra na amostra durante o tempo de 5s, na temperatura de 25 °C. Foi adicionado dentro de um molde circular determinada quantidade de CAP 50-70 e posicionado no penetrômetro de modo que a agulha ficasse no limite da superfície do material. realizamos o acionamento por 5 segundos cronometrados da alavanca que liberou o peso sobre o CAP. Quando soltamos a alavanca, a máquina interrompeu o processo de queda da agulha e pudemos aferir o quanto a agulha penetrou no CAP. Esse processo foi repetido por 7 vezes. ● Resultados Furo Penetração 1º Furo 43 d/mm 2º Furo 40 d/mm 3º Furo 43,9 d/mm 4º Furo 33 d/mm 5º Furo 45 d/mm 6º Furo 45 d/mm 7º Furo 55 d/mm Média 43,57 d/mm O valor mais alto obtido foi de 55 d/mm na última repetição do processo e o menor foi de 33 d/mm na quarta repetição do processo. A média obtida no experimento da amostra foi de 43,57 d/mm. ● Análise dos Resultados Durante a realização do ensaio, ao se obter o valor de penetração de 43,57 décimos de milímetro, tornou-se evidente que esse resultado está consideravelmente abaixo do padrão esperado para o CAP 50/70. No entanto, é possível considerar que essa discrepância possa ter sido influenciada por um defeito no equipamento ou pela possibilidade de contaminação ou oxidação da amostra. Dessa forma, não foi possível fazer uma comparação precisa dos valores. 4. Ensaio do Ponto de Fulgor O ensaio do ponto de fulgor é um procedimento importante para avaliar a segurança e a estabilidade de líquidos inflamáveis, como óleos, solventes e combustíveis. Esse ensaio determina a temperatura na qual o vapor do líquido se inflama momentaneamente ao entrar em contato com uma chama ou faísca, mas não mantém a queima por mais de um instante. Isso é essencial para entender a volatilidade e a potencial inflamabilidade de produtos químicos e líquidos. Além disso, o ponto de fulgor serve como uma ferramenta de prevenção de acidentes, fornecendo informações valiosas para o manuseio seguro de materiais asfálticos. Ele é um indicativo de perigo iminente, já que logo acima do ponto de fulgor encontra-se o ponto de combustão. Esse último é a menor temperatura em que a amostra, uma vez inflamada pela chama piloto, continua queimando por pelo menos 5 segundos. Ao considerar tanto o ponto de fulgor quanto o ponto de combustão, podemos avaliar os riscos potenciais de incêndio e garantir que medidas apropriadas sejam tomadas para evitar incidentes durante todas as etapas de manuseio e processamento de materiais betuminosos. ● Objetivo Geral Determinar a temperatura na qual, ou acima da qual, o material betuminoso entra em combustão. ● Materiais Utilizados ○ Vaso aberto de Cleveland; ○ Termômetro; ○ Tripé de fogareiro; ○ Bico de Bunsen; ○ Chama piloto; ○ Fonte de aquecimento. ● Procedimento Metodológico Inicialmente, uma amostra de CAP diluído em gasolina foi cuidadosamente adicionada ao vaso de Cleveland até atingir a marca de referência(Como mostra a Figura 1). Foi observada atenção para não ultrapassar esse limite, pois exceder o limite exigiria esvaziar, limpar e recarregar o vaso. Com isso, o bico de Bunsen foi aceso para iniciar o aquecimento da amostra. Adicionando CAP diluído no vaso de Cleveland Dessa forma, o termômetro foi ajustado para ficar a uma pequena distância do fundo do vaso de Cleveland(para que não encostasse).Prosseguindo, a chama piloto foi acesa. Enquanto o aquecimento da amostra era observado em espera pelo primeiro lampejo, a chama piloto se movimentava num plano horizontal, em movimentos circulares e constantes, sobre a amostra. Cada passagem durou aproximadamente 1 segundo. Quando o primeiro lampejo causado pelos vapores se manifestou, a temperatura foi medida e registrada como 43ºC, sendo este valor designado como o ponto de fulgor. Para determinar o ponto de combustão, seria necessário prosseguir com o aquecimento até que a amostra inflamada pela chama piloto continuasse queimando por 5 segundos consecutivos. Nesse momento, a temperatura associada ao ponto de combustão seria anotada. Entretanto, é relevante destacar que esse procedimento não foi conduzido neste caso específico. Acendendo a chama piloto Encontrando o ponto de Fulgor ● Resultados Durante o ensaio conduzido no laboratório, foi observado que o ponto de fulgor ocorreu a uma temperatura de 43ºC. No entanto, não foi realizado o procedimento para determinar o ponto de combustão. ● Análise dos Resultados A partir deste ensaio, é evidenciada a relevância da avaliação da temperatura de serviço que um material betuminoso pode tolerar com segurança, prevenindo a ocorrência de incêndios. 5. Ensaio do Ponto de AmolecimentoOs asfaltos tendem a amolecer gradualmente à medida que são aquecidos e não possuem um ponto de fusão nitidamente definido. Com o objetivo de estabelecer uma referência semelhante ao ponto de fusão, diversos métodos foram desenvolvidos para mensurar a temperatura em que eles atingem uma consistência específica. O método amplamente reconhecido é o Ponto de Amolecimento Anel e Bola, que determina a temperatura na qual o asfalto adquire uma consistência amolecida quando submetido a condições padronizadas. Portanto, o ponto de amolecimento é a temperatura mais baixa na qual uma esfera metálica padronizada, atravessando um anel também padronizado e preenchido com o material betuminoso, percorre uma determinada distância, sob condições específicas. Isso é outra medida empírica da consistência dos materiais betuminosos e está relacionado, aproximadamente, à temperatura do ponto de fusão (apesar de não ser claramente definido devido às diferentes temperaturas de fusão dos componentes do CAP). ● Objetivo Geral Determinar a temperatura na qual o asfalto adquire uma consistência amolecida quando submetido a condições padronizadas. ● Materiais Utilizados ○ 2 anéis de molde; ○ Placa de decantação; ○ 2 Bolas de aço de 93,5g; ○ 2 Guias de centralização de bolas; ○ Becker de vidro; ○ Suporte de anel e termômetro; ○ Termômetro; ○ Bico de Bunsen; ● Procedimento Metodológico No método do anel e bola, o ponto de amolecimento é a temperatura registrada quando uma esfera metálica padronizada, ao atravessar um anel também padronizado preenchido com o material betuminoso, entra em contato com uma placa de referência após percorrer uma distância específica sob condições definidas. Para a realização do ensaio, os anéis foram dispostos sobre uma placa de vidro previamente lubrificada, facilitando sua remoção posterior. Os anéis foram então preenchidos com o CAP. Em seguida, foram colocados no suporte juntamente com a esfera de aço e submersos em um recipiente com água, tendo em vista que o uso de água contribui para uniformizar a temperatura em todos os pontos da esfera, aumentando a precisão do teste. Com todos os preparativos completos, o termômetro foi posicionado entre as duas amostras e o bico de Bunsen foi ligado para elevar a temperatura do CAP, permitindo que as esferas atravessassem o material. Suporte mergulhado em água contida no Becker. ● Resultados O ponto de amolecimento determinado é a temperatura média na qual as duas esferas, imersas no betume, afundam e tocam a placa da base. Como o ponto de amolecimento foi considerado simultâneo na temperatura de 54°C, é também a temperatura média. ● Análise dos Resultados Considerando que o ponto de amolecimento esperado para o CAP 50/70 era de pelo menos 46°C, podemos concluir que a temperatura obtida no ensaio está consideravelmente acima do valor esperado. Esse teste é de grande importância para determinar a resistência de um revestimento asfáltico ao calor, o que também influencia sua capacidade de suportar esforços mecânicos. Além disso, fornece informações sobre se o material amolecerá em dias quentes e se pode ser utilizado com eficácia em pavimentação e impermeabilização, bem como seu tempo de serviço e compactação adequados. Em resumo, esse ensaio é essencial para garantir a aplicação correta do material. 6. Ensaio de Viscosidade A viscosidade Saybolt-Furol é a medida do tempo, em segundos, que uma quantidade fixa de material betuminoso (60 ml) requer para fluir por um orifício com dimensões padronizadas a uma temperatura específica. O propósito deste ensaio é avaliar a consistência prática de materiais betuminosos no estado líquido. O viscosímetro Saybolt é empregado para determinar a viscosidade dos materiais asfálticos. Esses instrumentos são utilizados para avaliar a resistência ao escoamento desses materiais em diferentes temperaturas, ajustadas de acordo com suas propriedades. A faixa de temperaturas abrange de 25ºC a 170ºC. O ensaio de viscosidade Saybolt-Furol é fundamental para estabelecer a consistência do CAP em várias temperaturas. Isso é de extrema importância, uma vez que a viscosidade do CAP tem um impacto direto na sua habilidade de ser misturado com agregados e aplicado sob diversas condições climáticas. Por exemplo, em climas mais frios, é essencial que o CAP possua uma viscosidade adequada para permitir seu bombeamento e aplicação com facilidade. ● Objetivo Geral Avaliar a consistência ou fluidez dos materiais betuminosos quando estão em estado líquido, de maneira prática. ● Materiais Utilizados ○ Viscosímetro Saybolt Furol e acessórios; ○ Banho-maria com controle de temperatura; ○ Frasco receptor para viscosímetro com capacidade para 60ml; ○ Termômetro para o ensaio; ○ Cronômetro com precisão de décimos de segundos. ● Procedimento Metodológico Após o CAP atingir a primeira temperatura designada, que foi de 140°C(Como mostra a Figura abaixo), a rolha foi removida para permitir o início do escoamento do fluido. O tempo registrado quando o fluido alcançou a marca de 60 ml foi de 4 minutos e 21 segundos e 21 centésimos. Prosseguindo para o segundo reservatório, a temperatura foi então aumentada para 160°C. Ao término do escoamento, o tempo cronometrado foi de 1 minuto e 44 segundos e 04 centésimos. Convertendo esses valores para unidades de SSF, obtivemos 261 SSF para o primeiro valor e 104 SSF para o segundo. ● Resultados A viscosidade Saybolt-Furol da amostra corresponde a um tempo de 4 minutos, 21 segundos e 21 centésimos para o primeiro ensaio realizado a uma temperatura de 140°C. No segundo ensaio, realizado a 160°C, o tempo foi de 1 minuto, 44 segundos e 4 centésimos para que os 60 mL de amostra fossem completamente escoados. 7. Conclusão Por meio dos experimentos realizados, pudemos perceber a relevância de determinar diversas propriedades dos materiais betuminosos. Essas características, como temperatura, consistência e viscosidade, são fundamentais para lidar com esses materiais de forma eficaz. O Ensaio de Ponto de Fulgor nos revelou a importância de estabelecer a temperatura limite na qual os materiais betuminosos podem ser manuseados com segurança. No ensaio, utilizamos uma amostra de asfalto diluído (ou cut-back) e alcançamos um resultado satisfatório, conforme o esperado. No tocante ao Ensaio de Penetração, tivemos uma visão da consistência de um CAP 50-70 e seu "grau de dureza". No entanto, uma falha no equipamento durante o experimento impediu a obtenção de conclusões significativas a partir dos valores obtidos. Os resultados obtidos no Ensaio de Ponto de Amolecimento foram bons, mas não os desejados. Através desse teste, pudemos compreender como a temperatura afeta a consistência dos materiais betuminosos. Ao utilizar uma amostra de CAP 50-70, conseguimos identificar as temperaturas nas quais o asfalto amolece. Isso nos proporcionou a percepção de que um ponto de amolecimento mais elevado indica melhores condições para a utilização do material. Com relação ao Ensaio de Viscosidade de Saybolt-Furol, embora este ensaio seja uma medição indireta da viscosidade, visto que se baseia na relação entre viscosidade e tempo, ele ressaltou a presença do Ensaio de Brookfield, uma alternativa mais precisa, pois mede a viscosidade diretamente. Em resumo, esses ensaios ofereceram uma experiência educativa de grande valia para nós, alunos. As explicações claras e compreensíveis proporcionaram a oportunidade de analisar e compreender as características dos materiais betuminosos, o que certamente contribuirá para nossa compreensão futura sobre o assunto. 8. Referências Bibliográficas ● SILVANI, Carine. Materiais Betuminosos. Slides da aula 02. ● SILVANI, Carine. Materiais Betuminosos. Slides da aula 03. ● CAVA, Felipe. “Como classificar Ligantes Asfálticos por Penetração e Viscosidade”. https://alemdainercia.com/2020/03/02/10-ensaios-para-caracterizacao-d as-propriedades-do-asfalto/?noamp=mobile#comments ● BERNUCCI, L.B; MOTTA, L.M.G; CERATTI, J.A.P; SOARES, J.B. “PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA: Formação básicapara Engenheiros”. Rio de Janeiro, 2008 ● ABNT NBR 11341/00 – Produtos de Petróleo – Determinação dos Pontos de Fulgor e de Combustão em vaso aberto de Cleveland. ● ABNT - NBR 6576/98 – Materiais Betuminosos – Determinação da Penetração. ● MB 517 – Determinação da Viscosidade Saybolt-Furol de materiais betuminosos a alta temperatura. ● ABNT - NBR 6560/00 – Materiais Betuminosos – Determinação do Ponto de Amolecimento – Método do anel e bola.
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