Contribuição para o estudo do comportamento de misturas
betuminosas incorporando nanomateriais
Leonor Martins Fróes Burguete
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Júri
Presidente: Professor Doutor João Torres de Quinhones Levy
Orientador: Professor Doutor Luís Guilherme de Picado Santos
Vogal: Professor Doutor José Manuel Coelho das Neves
Lisboa, Julho de 2013
Agradecimentos
i
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Doutor Luís Picado Santos, meu orientador, expresso o meu sincero agradecimento,
pela sua disponibilidade, exigência, paciência e profissionalismo. Agradeço ainda as discussões de
caráter futebolístico, tão bem temperadas com o seu vocabulário conimbricense, e pelas conversas
demoradas (ficava pelo menos uma hora no seu gabinete/escritório), mas verdadeiras lições de vida
e de partilha de conhecimento. Com ele aprendi que “um almoço nunca é de graça”.
Ao Professor Doutor João Bordado, Professor do Departamento de Química do IST, por me ter
ajudado a “arrancar” com a dissertação e acompanhado na fase inicial da mesma, pois foi decisivo na
escolha dos nanomateriais, e nos contactos de fornecedores.
Às empresas fornecedoras dos nanomateriais, nomeadamente “Omya” e “Sigma-Aldrich”, por terem
fornecido os nanomateriais utilizados para a produção das misturas betuminosas, bem como às
empresas Repsol e José Marques Gomes Galo, por terem disponibilizado o betume e os agregados,
respetivamente, imprescindíveis para a realização da presente dissertação.
Não há palavras para agradecer ao Rui Garcia e ao João Crucho, que tão amistosamente me
ajudaram na realização dos ensaios laboratoriais no Laboratório de Vias de Comunicação do IST.
Mais do que isso, agradeço por terem sido verdadeiras fontes de motivação ao longo da dissertação,
e fundamentais companhias. Facilitaram muito o convívio de laboratório, tão pouco frequentado por
mulheres. Em breve, será pago o almoço prometido!
Agradeço também ao Engenheiro Fernando Martinho, verdadeiro revolucionário das condições do
laboratório, pela companhia, pela opinião, e por me ter ensinado muito sobre esta área.
À Elaine e à Teresa, que sempre me receberam muito bem. A boa disposição e a compreensão foram
fundamentais para descontrair antes de uma reunião importante.
À minha Família e Amigos, pela inesgotável amizade, pelo acompanhamento, pela preocupação, e
pela paciência, mas sobretudo por acreditarem em mim, e por proporcionarem vários convívios
fundamentais para recarregar baterias.
Ao meu Pai, que mesmo à distância, está sempre em cima do acontecimento.
Ao Zé, por se manter por perto.
ii
Resumo
iii
RESUMO
A procura de alternativas às misturas betuminosas produzidas a quente (MBQ) destinadas à
camada de desgaste tem sido posta em prática. O principal objetivo é encontrar soluções que visam
melhorar determinados requisitos respeitantes à segurança e ao conforto dos utilizadores nas
estradas, sem comprometer a viabilidade económica da solução. É, então, neste contexto que se
aplica a nanotecnologia, tratando-se de uma das soluções mais promissoras dos últimos anos.
A nanotecnologia é conhecida pela sua particularidade em poder dar origem a novos e
melhores materiais, através da alteração à escala nano das propriedades dum material corrente. Esta
é um ramo da ciência que se encontra mais desenvolvida nas áreas da química e física mas com
extensão para a engenharia em geral. Na engenharia rodoviária têm sido realizados alguns estudos,
sendo uma das soluções equacionadas a incorporação de nanomateriais nas MBQ.
No presente trabalho, avaliou-se o comportamento de MBQ, do tipo AC14 Surf 35/50,
incorporando três tipos de nanomateriais: montmorilonite, carbonato de cálcio precipitado (PCC), e
sílica. Foram estudadas três taxas de incorporação de nanomateriais, 2%, 4% e 6% do peso do
ligante, tendo sido também avaliadas duas quantidades de ligante, 5,5% e 6,5%. O estudo das MBQ
foi feito olhando para os resultados da metodologia de formulação Marshall, permitindo avaliar
algumas características que se sabem determinantes na sua composição como a força de rotura, a
deformação, e a porosidade. Foi ainda estudado o comportamento do betume incorporado com
nanomaterial, usando o ensaio de penetração e o ensaio da temperatura de amolecimento.
Os resultados obtidos indicam que as misturas betuminosas incorporadas por nanomateriais
apresentaram, no geral, um comportamento satisfatório em relação às MBQ, destacando-se neste
estudo a nanosílica. Esta apresentou o melhor comportamento para a força de rotura e para a
deformação na rotura, apesar de se ter apresentado como menos interessante do ponto de vista
económico o seu uso nas condições de produção atuais.
PALAVRAS-CHAVE
Misturas betuminosas a quente (MBQ)
Nanotecnologia
Nanomateriais
Caracterização de MBQ incorporadas por nanomateriais
Variáveis da Metodologia Marshall
Características de viscosidade de betume incorporado por nanomateriais
iv
Abstract
v
ABSTRACT
The research for other alternatives to hot mix asphalt (HMA) intended for wearing course has
been put into practice. The main aim is to improve certain requirements related to the safety and
comfort of the road users, without compromising the economic viability of the solution. It is in this
context that nanotechnology is applied, and it can be said that it is one of the most exciting and
promising solutions in recent years.
Nanotechnology is known for its particularity to be able to develop new and better materials,
by changing the properties of a regular material at nanoscale. This is a science branch that is more
developed in chemistry and physics, but with developments for the engineering in general. On road
engineering some studies have been conducted, being the incorporation of nanomaterials in HMA one
of the solutions envisaged.
In this study, it was evaluated the behaviour of HMA, type AC14 Surf 35/50 (EN 13108-1),
incorporating three types of nanomaterials: montmorillonite, precipitated calcium carbonate (PCC) and
silica. Three percentages of incorporation for the nanomaterials were analysed, 2, 4 and 6 by weight
of bitumen, and also two percentages by weight of the bitumen, 5,5 and 6,5. The characterization of
HMA was taken following the methodology of Marshall, allowing the analysis of important
characteristics of the own composition such as stability, deformation, and porosity. It was also studied
the behaviour of bitumen containing nanomaterial, based on two tests: needle penetration and the
determination of the softening point.
The results indicated that the bituminous mixtures incorporating nanomaterials showed, in
general, a satisfactory behaviour compared to HMA, being the nanosilica the most promising
nanomaterial. This one presented the best behaviour for stability and deformation at failure, despite
the fact that it was appraised as being less interesting from the economical point of view for the
present production conditions.
KEYWORDS
Hot mix asphalt (HMA)
Nanotechnology
Nanomaterials
Assessment of HMA incorporating nanomaterials
Marshall methodology indicators
Viscosity characteristics for bitumen incorporating nanomaterials
vi
Índice
vii
ÍNDICE
1. Introdução ........................................................................................................................................ 1
1.1 Enquadramento do Tema ........................................................................................................ 1
1.2 Objetivos do Trabalho ............................................................................................................. 2
1.3 Metodologia ............................................................................................................................. 2
1.4 Estrutura do Documento .......................................................................................................... 3
2. Caracterização de Misturas Betuminosas........................................................................................ 5
2.1 Considerações Iniciais ............................................................................................................. 5
2.2 Caracterização dos Constituintes das Misturas Betuminosas ................................................ 6
2.3 Requisitos para uma Boa Camada de Desgaste .................................................................... 8
2.4 Descrição das Misturas Betuminosas a Quente ................................................................... 10
2.4.1 Considerações Iniciais ........................................................................................................10
2.4.2 Principais Problemas das MBQ e Respetivas Causas .......................................................10
2.5 Nanotecnologia ...................................................................................................................... 13
2.5.1 Considerações Gerais ........................................................................................................13
2.5.2 Papel da Nanotecnologia na Atualidade - Prós e Contras .................................................14
2.6 Nanotecnologia Aplicada à Engenharia Rodoviária .............................................................. 16
2.6.1 Considerações Gerais ........................................................................................................16
2.6.2 Nanomateriais Incorporados nas Misturas Betuminosas a Quente ...................................21
2.6.3 Estudos de Caracterização de Misturas Betuminosas Incorporadas por Nanomateriais
Realizados Noutro Contexto ...........................................................................................................25
3. Descrição dos Trabalhos Experimentais........................................................................................ 33
3.1 Enquadramento ..................................................................................................................... 33
3.2 Composição das Misturas Betuminosas Analisadas ............................................................ 34
3.2.1 Agregados e Ligante ..........................................................................................................34
3.2.2 Nanomateriais .....................................................................................................................35
3.3 Análise de Acordo com a Metodologia Marshall ................................................................... 36
3.3.1 Fabrico das Misturas Betuminosas e dos Respetivos Provetes ........................................36
3.3.2 Baridade Aparente ..............................................................................................................41
3.3.3 Ensaio de Compressão Marshall ........................................................................................42
3.3.4 Baridade Máxima Teórica ...................................................................................................44
viii
3.4 Variação Verificada nas Características de Viscosidade do Betume ................................... 46
3.4.1 Considerações Gerais ........................................................................................................46
3.4.2 Ensaio de Penetração ........................................................................................................47
3.4.3 Ensaio da Temperatura do Ponto de Amolecimento - Método do Anel e Bola ..................48
4. Apresentação e Análise dos Resultados ....................................................................................... 51
4.1 Considerações Iniciais ........................................................................................................... 51
4.2 Análise Crítica do Estudo de Marshall .................................................................................. 51
4.2.1 Resultados da Baridade Aparente......................................................................................51
4.2.2 Resultados do Ensaio de Compressão de Marshall ..........................................................53
4.2.3 Resultados da Baridade Máxima Teórica ..........................................................................59
4.2.4 Indicadores Absolutos de Variação ....................................................................................64
4.3 Análise do Ensaio de Penetração ......................................................................................... 66
4.4 Análise do Ensaio da Temperatura do Ponto de Amolecimento ........................................... 68
4.5 Validação dos Resultados ..................................................................................................... 69
4.6 Análise do Custo de Produção de Misturas Betuminosas Incorporando Nanomateriais...... 71
5. Conclusões ..................................................................................................................................... 75
5.1 Síntese do Trabalho .............................................................................................................. 75
5.2 Principais Conclusões do Trabalho ....................................................................................... 75
5.3 Proposta de Desenvolvimentos Futuros ............................................................................... 76
Referências Bibliográficas ..................................................................................................................... 79
Normas e Especificações .................................................................................................................. 81
WEBgrafia .......................................................................................................................................... 82
Bibliografia ............................................................................................................................................. 83
ANEXOS ............................................................................................................................................... A.1
Anexo A - Montmorilonite.................................................................................................................. A.3
Anexo B - PCC .................................................................................................................................. A.9
Anexo C - Baridade Aparente ......................................................................................................... A.11
Anexo D - Força de Rotura ............................................................................................................. A.12
Anexo E - Deformação na Rotura ................................................................................................... A.13
Anexo F - Porosidade ..................................................................................................................... A.14
Anexo G - Penetração .................................................................................................................... A.15
Índice de Figuras
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 - Estrutura dum pavimento flexível (LNEC, 2005) ................................................................. 6
Figura 2.2 - Fendilhamento do pavimento (Blades e Kearney, 2004) .................................................. 11
Figura 2.3 - Deformação do pavimento (Blades e Kearney, 2004) ....................................................... 12
Figura 2.4 - Desagregação da camada de desgaste (Blades e Kearney, 2004): a) Covas na camada
superficial; b) desintegração da superfície do pavimento ..................................................................... 13
Figura 2.5 - Demonstração da evolução das diferentes dimensões do pavimento (You et al., 2010) . 16
Figura 2.6 - Nanomaterial montmorilonite ............................................................................................. 21
Figura 2.7 - Estrutura da ligação betume - nanoargila (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009) .......... 22
Figura 2.8 - Nanomaterial PCC ............................................................................................................. 23
Figura 2.9 - Nanomaterial sílica ............................................................................................................ 24
Figura 2.10 - Resultados do ensaio de penetração em função da quantidade incorporada de cloisite-
15A e de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009) ................................................................ 26
Figura 2.11 - Resultados do ensaio da temperatura do ponto de amolecimento em função da
quantidade incorporada de cloisite-15A e de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009) ....... 27
Figura 2.12 - Resultados do ensaio da ductilidade em função da quantidade incorporada de cloisite-
15A e de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009) ................................................................ 27
Figura 2.13 - Resultados da penetração retida em função da quantidade incorporada de cloisite-15A e
de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009) .......................................................................... 29
Figura 2.14 - Resultados do aumento do ponto de amolecimento em função da quantidade
incorporada de cloisite-15A e de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009) .......................... 29
Figura 2.15 - Resultados obtidos do ensaio da viscosidade em função da variação da temperatura,
para o betume original não modificado, betume envelhecido não modificado, betume modificado com
nanoargila A e betume modificado com nanoargila B (adaptado de You et al., 2010) ......................... 30
Figura 2.16 - Resultados do módulo secante obtidos do ensaio de tração direta, para o betume
original não modificado, betume envelhecido não modificado, betume modificado com nanoargila A e
betume modificado com nanoargila B (adaptado de You et al., 2010) ................................................. 31
Figura 3.1 - Metodologia de Marshall realizada na dissertação em causa (adaptado de Picado-Santos,
2010) ...................................................................................................................................................... 33
Figura 3.2 - Curva granulométrica resultante do enquadramento no fuso da NP EN 13108-1:2011 ... 35
Figura 3.3 - Colocação do PCC aquoso, existente no recipiente branco, dentro do balão volumétrico
............................................................................................................................................................... 35
Figura 3.4 - Equipamento rotavapor, durante o processo de evaporação do PCC aquoso ................. 36
Figura 3.5 - PCC em pó agarrado às paredes do balão, resultante da evaporação do PCC aquoso .. 36
Figura 3.6 - Aquecimento dos agregados na estufa à temperatura de 180ºC ...................................... 37
Figura 3.7 - Aquecimento do betume e dos moldes dos provetes na estufa à temperatura de 130ºC 37
Figura 3.8 - Mistura do betume com o nanomaterial ............................................................................ 37
Figura 3.9 - Fabrico da mistura sobre placa elétrica com ajuda de uma batedeira .............................. 38
Figura 3.10 - Compactador de impacto e respetivo pilão ..................................................................... 39
Figura 3.11 - Aspeto final dos provetes após compactação ................................................................. 39
Índice de Figuras
x
Figura 3.12 - Quantidade de provetes produzidos para a mistura MBQ .............................................. 40
Figura 3.13 - Quantidade de provetes produzidos para a mistura MM ................................................. 40
Figura 3.14 - Quantidade de provetes produzidos para a mistura MP ................................................. 40
Figura 3.15 - Quantidade de provetes produzidos para a mistura MS ................................................. 40
Figura 3.16 - Desmoldagem de um provete .......................................................................................... 41
Figura 3.17 - Provete já desmoldado .................................................................................................... 41
Figura 3.18 - Provetes imersos ............................................................................................................. 42
Figura 3.19 - Medição da massa do provete imerso ............................................................................. 42
Figura 3.20 - Banho termoestático ........................................................................................................ 42
Figura 3.21 - Ensaio de compressão Marshall: a) Equipamento de ensaio; b) Provete em carga ....... 43
Figura 3.22 - Curva força de rotura-deformação obtida do ensaio de compressão Marshall ............... 43
Figura 3.23 - Aspeto visual de um provete após ensaio de compressão ............................................. 44
Figura 3.24 - Amostra desagregada antes de ser colocada no picnómetro ......................................... 44
Figura 3.25 - Picnómetro ligado a uma bomba de vácuo ..................................................................... 45
Figura 3.26 - Aspeto das amostras laboratoriais recolhidas para o ensaio de penetração e da
temperatura do ponto de amolecimento ................................................................................................ 47
Figura 3.27 - Equipamento utilizado no ensaio de penetração ............................................................. 47
Figura 3.28 - Ensaio de penetração com agulha (Branco et al., 2005) ................................................ 47
Figura 3.29 - Medições realizadas no ensaio de penetração ............................................................... 48
Figura 3.30 - Preparação dos anéis de latão ........................................................................................ 48
Figura 3.31 - Nivelamento da amostra .................................................................................................. 48
Figura 3.32 - Comportamento do betume durante a realização do ensaio da temperatura do ponto de
amolecimento ........................................................................................................................................ 49
Figura 4.1 - Variação da baridade aparente para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação
de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ................... 52
Figura 4.2 - Variação da baridade aparente para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação
de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ................... 52
Figura 4.3 - Variação da força de rotura para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 54
Figura 4.4 - Variação da força de rotura para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 55
Figura 4.5 - Variação da deformação para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 56
Figura 4.6 - Variação de Fr/Def para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 57
Figura 4.7 - Variação da deformação para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 58
Figura 4.8 - Variação de Fr/Def para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 58
Índice de Figuras
xi
Figura 4.9 - Variação da baridade máxima teórica para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de
incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
............................................................................................................................................................... 59
Figura 4.10 - Variação da baridade máxima teórica para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de
incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
............................................................................................................................................................... 60
Figura 4.11 - Variação da porosidade para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 61
Figura 4.12 - Variação da porosidade para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 62
Figura 4.13 - Variação do VMA para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 63
Figura 4.14 - Variação do VMA para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de
nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais) ........................ 64
Figura 4.15 - Variação da penetração do betume das misturas betuminosas com 2%, 4% e 6% de
incorporação de nanomateriais e por comparação com o betume de MBQ (0% de incorporação de
nanomateriais) ....................................................................................................................................... 67
Figura 4.16 - Variação da temperatura de amolecimento do betume das misturas betuminosas com
2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com o betume de MBQ (0% de
incorporação de nanomateriais) ............................................................................................................ 68
xii
Índice de Quadros
xiii
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 2.1 - Funções e mecanismos de degradação da camada de desgaste (INIR, 2011) ................ 8
Quadro 2.2 - Influência das características de superfície (LNEC, 2005) ................................................ 9
Quadro 2.3 - Designação das misturas betuminosas para a camada de desgaste (EP, 2009) ........... 10
Quadro 2.4 - Objetivos gerais da aplicação de nanomateriais em cada fase de conceção dum
pavimento (adaptado de Partl et al., 2004) ........................................................................................... 20
Quadro 2.5 - Propriedades químicas da montmorilonite (adaptado de Sigma-Aldrich, 2012) ............. 22
Quadro 2.6 - Propriedades químicas do PCC aquoso (adaptado de Omya, 2010).............................. 23
Quadro 2.7 - Propriedades químicas da sílica ...................................................................................... 24
Quadro 2.8 - Propriedades do betume (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009) .................................. 26
Quadro 2.9 - Propriedades das nanoargilas: cloisite-15A e nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii,
2009) ...................................................................................................................................................... 26
Quadro 3.1 - Denominações das misturas betuminosas estudadas..................................................... 34
Quadro 3.2 - Curva granulométrica de estudo adequada ao fuso granulométrico da NP EN 13108-
1:2011 .................................................................................................................................................... 34
Quadro 4.1 - Baridade aparente das misturas betuminosas com 5,5% de betume ............................. 51
Quadro 4.2 - Baridade aparente das misturas betuminosas com 6,5% de betume ............................. 52
Quadro 4.3 - Força de rotura das misturas betuminosas com 5,5% de betume .................................. 53
Quadro 4.4 - Força de rotura das misturas betuminosas com 6,5% de betume .................................. 54
Quadro 4.5 - Deformação obtida para as misturas betuminosas com 5,5% de betume ...................... 56
Quadro 4.6 - Deformação obtida para as misturas betuminosas com 6,5% de betume ...................... 57
Quadro 4.7 - Resultados obtidos do ensaio da baridade máxima teórica ............................................ 59
Quadro 4.8 - Porosidade das misturas betuminosas com 5,5% de betume ......................................... 60
Quadro 4.9 - Porosidade das misturas betuminosas com 6,5% de betume ......................................... 62
Quadro 4.10 - Resultados obtidos do volume de vazios no agregado ................................................. 63
Quadro 4.11 - Indicadores absolutos de variação para as misturas betuminosas com 5,5% de betume
............................................................................................................................................................... 65
Quadro 4.12 - Indicadores absolutos de variação para as misturas betuminosas com 6,5% de betume
............................................................................................................................................................... 66
Quadro 4.13 - Resultados obtidos do ensaio de penetração ................................................................ 67
Quadro 4.14 - Resultados obtidos do ensaio da temperatura do ponto de amolecimento ................... 68
Quadro 4.15 - Limites dos requisitos das misturas betuminosas aplicadas na camada de desgaste
(adaptado de EP, 2009) ........................................................................................................................ 69
Quadro 4.16 - Validação dos resultados obtidos do estudo Marshall para as misturas betuminosas
com 5,5% de betume ............................................................................................................................. 69
Quadro 4.17 - Validação dos resultados obtidos do estudo Marshall para as misturas betuminosas
com 6,5% de betume ............................................................................................................................. 70
Quadro 4.18 - Análise dos custos de produção parciais das misturas betuminosas............................ 72
xiv
Simbologia e Abreviaturas
xv
SIMBOLOGIA
B - Conteúdo de ligante do provete (%)
h - Altura do provete
m1 - Massa do provete seco (g)
m2 - Massa do provete imerso, em (g)
m3 - Massa do provete saturado com superfície seca (g)
M1 - Massa do picnómetro e acessórios (g)
M2 - Massa do picnómetro, acessórios, e amostra (g)
M3 - Massa do picnómetro, acessórios, amostra, e água (g)
nm - Nanómetro (símbolo genérico)
rpm - Rotações por minuto (símbolo genérico)
SiO2 - Dióxido de silício
Vm - Conteúdo de vazios do provete (%)
Vp - Volume do picnómetro (m3)
µm - Micrómetro (símbolo genérico)
ρbssd - Baridade do provete saturado com superfície seca (kg/m3)
ρmv - Baridade máxima teórica da mistura betuminosa (kg/m3)
ρB - Baridade do betume (kg/m3)
ρw - Massa volúmica da água à temperatura de ensaio (kg/m3)
ABREVIATURAS
AASHTO - American Association of State Highway and Transportation Officials
AC - Asphalt Concrete
ASTM - American Society for Testing and Materials
BB - Betão betuminoso
BMT - Baridade máxima teórica
Def - Deformação
EN - European Standard
EP - Estradas de Portugal, S.A.
FIB - Fundación de la Innovación Bankinter
Fr - Força de rotura
IPQ - Instituto Português da Qualidade
MBQ - Mistura betuminosa a quente
MM - Mistura betuminosa AC14 Surf 35/50 com montmorilonite
MP - Mistura betuminosa AC14 Surf 35/50 com PCC
MS - Mistura betuminosa AC14 Surf 35/50 com sílica
NP - Norma Portuguesa
PCC - Precipitate Calcium Carbonate
Surf - Surface
VMA - Volume de vazios no agregado
xvi
Capítulo 1 - Introdução
1
1. Introdução
1.1 Enquadramento do Tema
A preocupação em ter um pavimento durável, com boas características mecânicas, e que seja
igualmente viável do ponto de vista económico, tem vindo a tornar-se cada vez mais numa prioridade,
particularmente perante a crise económica mundial que se vive nos dias de hoje. Muito embora essa
ideia não tenha surgido há pouco tempo, a preocupação económica obriga a que se estudem outras
soluções, sendo a nanotecnologia uma das hipóteses mais promissoras. Não obstante a falta de
informação sobre o tema, existe suficiente conhecimento que permita a realização da presente
dissertação. Esta vem, portanto, tentar mitigar essa lacuna, aproveitando naturalmente o pouco que
já foi estudado.
Os pavimentos rodoviários são o principal intermediário com o terreno natural para permitir a
adequada circulação dos veículos, estando esta muito dependente da forma como a intermediação é
conseguida. Do ponto de vista do condutor, o que se procura num pavimento é segurança e conforto,
ambos diretamente relacionados com a evolução do comportamento estrutural do mesmo, e também
do seu comportamento funcional, relacionado com a qualidade das suas características de superfície.
Estes princípios são o ponto de partida para o uso da nanotecnologia integrada na engenharia
rodoviária, e o desafio da presente dissertação: estudar o comportamento duma camada de
desgaste, constituída por uma mistura betuminosa incorporada por nanomateriais.
Tendo em conta apenas a nanotecnologia, é importante que, em primeiro lugar, se perceba o
seu conceito, e quais as vantagens e desvantagens da aplicação de nanomateriais, de maneira a
fazer-se a ponte de ligação com a engenharia rodoviária. O que se pretende no primeiro passo é
perceber de que forma a nanotecnologia tem sido aplicada em diversas áreas da engenharia ou
outras, bem como salientar quais os nanomateriais mais usados nas mesmas. Com base no
conhecimento adquirido, é possível, então, proceder-se ao uso desse conhecimento, aplicando-o à
engenharia rodoviária. Este segundo passo implica a avaliação da viabilidade, quer seja orgânica
quer seja económica, da utilização dos nanomateriais em pavimentos, procurando atingir orientações
para a sua utilização.
O interesse na nanotecnologia centra-se na procura do controlo da estrutura e do
comportamento quase ao nível molecular, abrindo a possibilidade de influenciar positivamente a
ocorrência de novas propriedades (FIB, 2006). É, então, percetível que esta tecnologia abrange o
campo da química e física, bem como o da engenharia. Esta relação entre ambos apela a que, tanto
os químicos e físicos, como os engenheiros, façam um esforço para diminuir a distância que existe
entre eles, de maneira a promover a nanotecnologia aplicada em áreas apropriadas de engenharia,
que tenham em vista solucionar as necessidades da população (Steyn, 2009). De facto, a
colaboração de ambos os lados ajuda no encontro da solução mais viável.
Tratando-se de uma nova tecnologia, a aplicação de nanomateriais na engenharia rodoviária
tem de ser vista com cuidado, nomeadamente ao nível do impacto que a sua utilização pode trazer
diretamente às pessoas ou ao ambiente. Na linha desta preocupação, o presente estudo selecionou
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
2
para avaliação nanomateriais não agressivos, incorporando-os nas misturas betuminosas para testar
o seu efeito no seu desempenho, e verificar se tem potencial para ser alternativa à mistura
betuminosa convencional.
Sendo potencialmente dispendiosa a aplicação da nanotecnologia nas misturas betuminosas,
e admitindo que no mundo desenvolvido o foco está mais colocado na reabilitação, faz sentido que
sejam as camadas de desgaste dos pavimentos o objeto primeiro do uso de novas formas de
melhorar desempenhos.
Em Portugal, um pouco a par dos restantes países europeus, ainda pouco é conhecido no
campo da nanotecnologia aplicada à engenharia rodoviária. Deste modo, é essencial realizar um
trabalho exploratório das possibilidades como este procura ser. O presente estudo inclui a explicação
da vantagem da utilização de nanomateriais nas misturas betuminosas, e de que forma podem
contribuir para melhorar o desempenho dos pavimentos no contexto que foi descrito.
1.2 Objetivos do Trabalho
Muito da motivação e objetivos do estudo foram enquadrados na secção anterior, mas
especificamente pretende-se:
Definir que nanomateriais têm potencial imediato para serem usados, nomeadamente
através de ensinamentos que se foram buscar a outras áreas da engenharia (engenharia
química);
Usar os nanomateriais definidos no fabrico de misturas betuminosas a quente do tipo
AC14 Surf 35/50, de acordo com a norma NP EN 13108-1 (IPQ, 2011), com diferentes
formulações, e fazer a comparação do seu desempenho com o de uma mistura
convencional do mesmo tipo, de modo a tirar as conclusões possíveis quanto à
viabilidade das misturas betuminosas com nanomateriais.
1.3 Metodologia
A metodologia usada para atingir os objetivos propostos pode resumir-se desta forma:
Definir os nanomateriais com mais potencial para serem usados, com recurso a uma
suficientemente documentada revisão do estado da arte, mas principalmente através do
uso da experiência do Departamento de Engenharia Química do IST;
Tendo sido eleitos três tipos de nanomateriais, tornou-se necessário definir a composição
de quatro misturas betuminosas a quente do tipo AC14 Surf 35/50, uma convencional e
as restantes três misturas produzidas com incorporação de nanomateriais;
Submetendo provetes Marshall (EN 12697-34, CEN, 2004b) das misturas eleitas ao
ensaio de compressão Marshall e caracterizando esses provetes volumetricamente e em
massa, procurar-se-á extrair conclusões sobre o seu desempenho relativo. Para isto
ainda se usou a apreciação dos resultados da penetração (NP EN 1426, IPQ, 2003a) e
da temperatura de amolecimento pelo método do “Anel e Bola” (NP EN 1427, IPQ,
2003b), no sentido de poder inferir algum efeito de modificação destas propriedades no
ligante resultante da adição ao betume de destilação direta dos nanomateriais escolhidos;
Estabelecer as principais inferências atendendo aos condicionalismos usados.
Capítulo 1 - Introdução
3
1.4 Estrutura do Documento
O presente documento é constituído por cinco capítulos, sendo este primeiro o capítulo
introdutório, onde se explica a motivação, onde se faz o enquadramento do tema, realçando a
importância da nanotecnologia no domínio rodoviário, e onde são enumerados os objetivos
propostos, detalhando os métodos seguidos para que estes sejam atingidos.
No Capítulo 2, denominado “Caracterização de Misturas Betuminosas”, faz-se uma revisão
geral dos conhecimentos sobre as misturas betuminosas a quente, com o intuito de fazer a ponte com
as novas misturas betuminosas incorporadas por nanomateriais. Enquadra-se a utilização das
misturas betuminosas a quente, particularmente na camada de desgaste, e evidenciam-se os
requisitos e os problemas a que habitualmente estão associadas. Ainda neste capítulo, descreve-se o
que é a nanotecnologia e o que esta envolve, dando introdução à aplicação desta nova tecnologia na
engenharia rodoviária. Faz-se também a caracterização dos nanomateriais a utilizar, tendo em
atenção o seu propósito de melhorar as características das misturas betuminosas aplicadas na
camada de desgaste. Este capítulo termina com a apresentação de estudos/ensaios semelhantes já
realizados, no sentido de completar a informação que se pode produzir sobre o assunto.
O Capítulo 3 tem o título “Descrição dos Trabalhos Experimentais”. Neste capítulo reúne-se a
informação relativa aos ensaios laboratoriais (nomeadamente ensaio Marshall, ensaio de penetração
e ensaio da temperatura do ponto de amolecimento), e respetivas normas, os quais foram realizados
para as quatro misturas betuminosas produzidas.
O Capítulo 4, com o título “Apresentação e Análise dos Resultados”, é onde se descreve a
avaliação do comportamento das misturas betuminosas produzidas com base nos resultados
laboratoriais, o que permite extrair conclusões sobre o desempenho das mesmas. Complementa-se
este capítulo com um estudo da viabilidade económica da incorporação dos nanomateriais, de modo
a permitir complementar a informação para a avaliação da possibilidade de uso dos nanomateriais
estudados.
No Capítulo 5, “Conclusões”, apresentam-se as principais conclusões do trabalho e
recomendam-se futuros passos para a continuidade do estudo que se desenvolveu.
O documento termina com as “Referências Bibliográficas” e os “Anexos”. Nestes reúnem-se
as fichas informativas dos nanomateriais, indispensáveis para a concretização do estudo e que
ajudam a perceber o contexto em que o estudo foi realizado, bem como apresentam-se os resultados
individuais obtidos para os vários ensaios.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
4 Leonor Burguete
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 5
2. Caracterização de Misturas Betuminosas
2.1 Considerações Iniciais
O pavimento, neste caso de estudo indicado para fins rodoviários, define-se como uma
superfície de rolamento destinada à adequada circulação dos veículos. Esta superfície, que necessita
de resistir às tensões e deformações provocadas pelas solicitações climáticas e principalmente pelo
tráfego, deve também garantir que este circula em conformidade com a segurança, comodidade e
economia (Branco et al., 2005). Atendendo a estes fatores, e tendo em atenção o período de vida útil
dum pavimento, compreende-se que seja importante encontrar soluções que consigam não só
melhorar o seu comportamento mecânico, como permitam que a sua realização e manutenção sejam
economicamente mais viáveis.
Para uma boa conceção do pavimento rodoviário, é habitual que seja constituído por diversas
camadas. Na parte superior, sendo a mais solicitada, não só porque se encontra em contacto direto
com as rodas dos veículos, como também porque é a mais vulnerável à agressão ambiental, utilizam-
se os materiais mais resistentes, que garantem o bom desempenho do pavimento e protegem as
camadas inferiores. Devido à exigência da qualidade dos materiais, é natural que estes sejam
também os mais caros. À medida que se desce para camadas inferiores, e uma vez que as
solicitações suavizam progressivamente, a exigência de qualidade dos materiais decresce, e
consequentemente decresce o seu custo. De acordo com Branco et al. (2005), as principais
solicitações a ter em conta aquando da conceção dum pavimento são: cargas do tráfego, que se
caracterizam por determinada intensidade, duração e distribuição espacial, e agressões térmicas, que
afetam a reologia do material betuminoso, e que habitualmente se traduzem em deformações.
É possível distinguir os pavimentos rodoviários em duas categorias principais: pavimentos
flexíveis e pavimentos rígidos, apontando-se a deformabilidade como o parâmetro fulcral na sua
distinção. Também se poderia considerar a existência de pavimentos semi-rígidos que apresentam
comportamentos situados entre os evidenciados pelos dois primeiros tipos. A presente dissertação
diz apenas respeito ao pavimento flexível, mostrando-se na Figura 2.1 as camadas constituintes
deste tipo de pavimento:
Camada de desgaste (com espessura entre 4 e 8 cm);
Camada de regularização (com espessura entre 4 e 10 cm, existindo porque pode
somente existir base betuminosa e camada de desgaste);
Camada de base (com espessura entre 10 e 30 cm);
Camada de sub-base (com espessura entre 15 e 30 cm).
Dentro do pavimento flexível, a camada em estudo é a camada de desgaste, pois é à qual se
exigem os melhores materiais, como já foi referido, sendo que a nanotecnologia lhe pode trazer
benefícios para o cumprimento dum bom comportamento. Observando a Figura 2.1, é possível
verificar que a camada de desgaste encontra-se no topo do pavimento, totalmente exposta aos
diversos agentes de deterioração.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
6 Leonor Burguete
Figura 2.1 - Estrutura dum pavimento flexível (LNEC, 2005)
2.2 Caracterização dos Constituintes das Misturas Betuminosas
Em Portugal, as camadas superiores dos pavimentos flexíveis são mais frequentemente
formadas por misturas betuminosas fabricadas a quente (MBQ). Nesta secção, pretende descrever-
se os seus constituintes, sendo os três principais componentes elementares: o betume asfáltico, os
agregados, e ar dos vazios.
O betume asfáltico (designado doravante simplesmente por betume) é um ligante muito
utilizado no fabrico de misturas betuminosas, sendo a sua principal função ligar os agregados. É um
material termoplástico que apresenta cor negra, e caracteriza-se por ter boas propriedades adesivas.
No que diz respeito à viscosidade, o betume apresenta-se mole a elevadas temperaturas, e vai
endurecendo à medida que a temperatura diminui.
A composição química do betume asfáltico é complexa. De um modo geral, as moléculas
constituintes podem ser classificadas em dois grandes grupos: asfaltenos e maltenos. Estes últimos
podem ainda subdividir-se em três grupos, designados por resinas, aromáticos, e saturados.
Atendendo aos quatro grupos referidos, que naturalmente estão relacionados, e de maneira a resumir
a informação mais relevante, importa mencionar que (Jahromi e Khodaii, 2009):
Uma maior quantidade de asfaltenos provoca difícil penetração do betume, bem como
aumenta o seu ponto de amolecimento, o que se traduz numa maior viscosidade;
As resinas são compostas por moléculas polarizadas, o que as torna bastante adesivas;
Os saturados são óleos viscosos, e são constituídos por moléculas apolares. A sua
constituição é responsável pela existência da maior parte dos componentes cerosos no
betume;
Juntamente com os saturados, os aromáticos perfazem o conjunto de óleos integrantes
no betume, e conferem certa plasticidade ao betume.
São estes os principais aspetos que definem a reologia do betume asfáltico, sendo que esta
tem diretamente a ver com a maneira como se comporta quando sujeito a solicitações. Torna-se,
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 7
assim, relevante a avaliação das propriedades do betume, seguindo um conjunto de normas com
vista a um melhor controlo do seu comportamento.
O tipo de betume a utilizar tem que ver com vários aspetos ligados à sua finalidade, às
condições climáticas, e a questões meramente comerciais, sendo o betume 35/50 o mais usual em
Portugal para o fabrico de MBQ.
Segundo Branco et al. (2005), a quantidade de material agregado integrante nas misturas
betuminosas é da ordem dos 90 a 95% do peso total, o que equivale a valores de 75 a 85% do
volume total da mistura. A sua quantidade dá sentido à sua relevância, uma vez que os agregados
formam um esqueleto sólido, coeso, resistente, e de origem pétrea, possibilitando resistir à
agressividade do tráfego, isto é, ao choque, ao desgaste e ao atrito. Desta forma, a escolha do
material granular exige algumas características, tais como resistência, granulometria, forma das
partículas (preferencialmente cúbicas, e não lamelares ou alongadas), limpeza e adesividade. O
desgaste das partículas demonstra-se particularmente importante quando a mistura betuminosa se
destina para a camada de desgaste, uma vez que esta se encontra diretamente sujeita à ação do
tráfego (Neves, 2010). Assim, quando se projeta um pavimento com base em MBQ, é preciso
assegurar que o agregado é forte e durável, com uma forma angular suficientemente boa para resistir
a determinados condicionalismos.
Nas MBQ, o betume asfáltico deve ser aquecido a uma temperatura entre 120 e 140ºC, e os
agregados devem ser aquecidos a temperaturas entre 175 e 190ºC. O controlo da temperatura,
nomeadamente a do betume, é importante pois influencia a temperatura de mistura e de
compactação das MBQ. Todo o processo de fabrico é geralmente feito numa central com as
condições próprias para medir as quantidades corretas do ligante e dos agregados, assim como
aquecê-los, e seguidamente misturá-los.
O ar presente na mistura corresponde aos vazios existentes, sendo estes muito importantes e
necessários. Um dos objetivos a atingir para uma adequada mistura betuminosa é obter uma
percentagem de vazios suficientemente elevada para evitar a exsudação do betume, mas por outro
lado, não tão elevada, senão corre-se o risco de pós-compactação (Picado-Santos, 2010). Desta
forma, a quantidade de vazios, que se reflete em algumas propriedades como a porosidade ou o
volume de vazios no agregado, é uma variável que tem de ser controlada, de maneira a garantir um
bom comportamento da mistura betuminosa.
Para além destes materiais constituintes, existem outros facultativos, denominados aditivos,
que podem ser adicionados nas misturas betuminosas com o intuito de melhorar as propriedades das
mesmas, e alterar o seu comportamento consoante as características exigidas. Evidencia-se, por
exemplo, a borracha, conhecida por aumentar a durabilidade das MBQ (Skotnicki et al., 2010). É
importante referir que muitas vezes os aditivos são materiais reutilizados, como é o caso da borracha
de pneus, o que significa que em geral reduzem-se custos. Para além disso, e de acordo com
Feiteira-Dias e Picado-Santos (2009), a sua incorporação nas misturas betuminosas ajuda na
resolução de problemas ambientais, pois a eliminação do grande volume de pneus usados constitui
um problema ambiental mundial.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
8 Leonor Burguete
Tendo em atenção o material “nanomaterial” que é adicionado à mistura betuminosa, ainda
não se encontra bem definido quanto ao seu papel na mesma. Tanto pode ter o papel de agregado
muito fino que é adicionado ao betume, tendo como resultado uma ligação apenas física, sem dar
origem a um só componente, ou apresentar a função de aditivo, uma vez que pode provocar
mudanças químicas no betume, e consequente alteração das suas propriedades. Esta é uma questão
que será focada nas secções seguintes.
2.3 Requisitos para uma Boa Camada de Desgaste
Após a formulação da granulometria, segue-se a mistura dos agregados com a quantidade de
ligante pré-definida. Só depois dos materiais serem misturados, transportados, espalhados e
compactados é que a realização de uma camada do pavimento fica finalizada.
Na realização das camadas de pavimentos rodoviários são tidas em conta as funções que se
pretende que desempenhem, a par dos critérios, já anteriormente referidos, relativos à economia e
durabilidade. No que diz respeito à camada de desgaste, no Quadro 2.1 apresentam-se as suas
funções, bem como os respetivos mecanismos de degradação. Para que essas funções sejam
cumpridas de forma adequada, é necessário que a camada de desgaste apresente determinados
requisitos que muito têm a ver com as características das misturas betuminosas, sendo elas:
estabilidade, durabilidade, flexibilidade, resistência à fadiga, aderência, trabalhabilidade e
permeabilidade, não estando estas por ordem de relevância (Branco et al., 2005).
Quadro 2.1 - Funções e mecanismos de degradação da camada de desgaste (INIR, 2011)
Na sequência da análise do Quadro 2.1, é possível referir que para uma adequada circulação
do tráfego com conforto e segurança, é necessário garantir boas características geométricas do perfil
transversal e da superfície do pavimento. Em termos gerais, essas características estão relacionadas
com aspetos como a regularidade da superfície, o desempeno e a ausência de deformações
permanentes (Neves, 2010).
Uma outra função da camada de desgaste é proteger as restantes camadas do pavimento da
ação do tráfego, e suportar, redistribuir e transferir para as camadas inferiores as tensões induzidas
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 9
pelos rodados dos veículos. A escolha dos materiais que têm melhores características demonstra-se
importante para uma boa compactação, assegurando consequentemente a compacidade e
estabilidade da camada de desgaste (Branco et al., 2005).
No que diz respeito às características de drenagem, estas são fulcrais para garantir um rápido
escoamento da água superficial, evitando-se, assim, fenómenos de hidroplanagem, muito prejudiciais
à segura circulação dos veículos. A hidroplanagem pode ocorrer devido à má construção e/ou
funcionamento do pavimento, que por ter insuficientes inclinações transversais e longitudinais ou
apresentar deformações, leva à retenção da água no pavimento por um período de tempo superior ao
recomendável. Deste modo, a quantidade de água retida vai aumentando, aumentando também a
espessura da película de água, provocando a perda da aderência entre os pneus e a superfície do
pavimento (Neves, 2010).
É possível mencionar uma outra característica tão importante como as anteriores, que tem
particularmente em vista a segurança do tráfego, e tem que ver com a resistência à derrapagem. Esta
resistência traduz-se na aderência dos pneus dos veículos à superfície do pavimento, pelo que é uma
característica que deve ser assegurada na camada de desgaste. O que é desejável é ter uma
superfície rugosa, conseguida através da utilização de agregados resistentes ao polimento e com
uma formulação adequada da mistura betuminosa para atingir uma eficiente textura na superfície
(Neves, 2010).
Segundo o que já foi referido sobre os requisitos para uma boa camada de desgaste,
demonstra-se, no Quadro 2.2, qual o nível de influência das características de superfície face às
exigências funcionais da mesma.
Quadro 2.2 - Influência das características de superfície (LNEC, 2005)
Das características apresentadas no Quadro 2.2, é possível afirmar que:
A aderência é fulcral para a segurança da circulação de veículos;
A regularidade da superfície é fundamental para garantir o conforto do utilizador, e muito
importante quanto à economia, que por sua vez está diretamente relacionada com o
consumo de combustível, o desgaste dos veículos e o tempo de viagem (LNEC, 2005);
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
10 Leonor Burguete
O ruído induzido pela circulação de veículos tem influência determinante quanto às
questões ambientais, tendo também grande influência no conforto do condutor.
De facto, a camada de desgaste é afetada por diversos agentes, tanto atmosféricos como de
tráfego, que se podem refletir em fendilhamento, desgaste e/ou deformações, tal como evidenciado
no Quadro 2.1. O que se pretende é que a camada de desgaste seja não só resistente a essas
ações, como também consiga cumprir adequadamente as suas funções, e assegurar determinadas
qualidades, por exemplo óticas, anti-derrapantes, ou anti-ruído (Branco et al., 2005).
2.4 Descrição das Misturas Betuminosas a Quente
2.4.1 Considerações Iniciais
O termo mistura betuminosa a quente (MBQ), já referido anteriormente, é o mais comum nas
obras de pavimentação, particularmente em Portugal. Este tipo de misturas betuminosas vai desde as
argamassas betuminosas, fabricadas apenas com agregados finos, filer e betume, até aos
macadames betuminosos, nos quais os agregados grossos têm um papel decisivo no comportamento
da mistura (Cepsa, 2007).
Naturalmente que as características que se pretende que a mistura betuminosa tenha
condicionam os diferentes componentes a usar, dando origem a vários tipos de misturas
betuminosas. No que se refere às MBQ, são fabricadas a temperaturas superiores à temperatura
ambiente, o que se traduz por valores à saída da central de fabrico geralmente situados entre os 150
e os 180ºC. Este facto facilita o seu manuseamento, espalhamento e compactação. Quanto aos seus
constituintes, os materiais agregados devem pertencer a várias frações granulométricas, doseadas de
forma equilibrada, e o ligante deve obedecer a determinadas especificações.
No Quadro 2.3 encontram-se as habituais designações dos distintos betões betuminosos
aplicáveis à camada de desgaste. Neste estudo, a MBQ que se vai usar é o Betão Betuminoso (BB),
por ser a de mais comum aplicação em camadas de desgaste. Deste modo, de acordo com NP EN
13108-1 (IPQ, 2011), a designação da mistura betuminosa é “AC14 surf 35/50 (BB)”, sendo a
denominação “AC” referente à designação do produto, cujo o termo em inglês é “asphalt concrete”, e
a denominação “surf” referente à camada de desgaste, cujo o termo em inglês é “surface”.
Quadro 2.3 - Designação das misturas betuminosas para a camada de desgaste (EP, 2009)
2.4.2 Principais Problemas das MBQ e Respetivas Causas
Já se fez uma descrição das agressões que os pavimentos tipicamente sofrem, sobretudo a
camada de desgaste, mas para efeito desta secção vai admitir-se que podem ser distinguidas em
quatro classes (Blades e Kearney, 2004):
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 11
Fendilhamento;
Deformação;
Desagregação;
Defeitos da camada superficial.
Fendilhamento
O facto do pavimento estar sujeito a variações de temperatura, ou mesmo da mistura
betuminosa sofrer repetidas alterações ao longo do seu tempo de vida, é suficiente para que se
comecem a formar fendas. Normalmente, o aparecimento da primeira fenda leva a que outras surjam,
podendo mesmo provocar a rotura total do pavimento (Blades e Kearney, 2004). Na Figura 2.2
demonstra-se um exemplo de fendilhamento do pavimento.
Figura 2.2 - Fendilhamento do pavimento (Blades e Kearney, 2004)
Quando o tráfego em causa é o pesado, isto é, quando o pavimento sofre variadas deflexões
causadas por repetidas cargas pesadas, dá-se a formação de uma série de fendas muito próximas
umas das outras. Perante esta situação, e passado algum tempo, o mais provável é que se dê a
rotura do pavimento, tendo esta a designação de rotura por fadiga (Zhi et al., 2011).
Um outro agente agressivo diz respeito às baixas temperaturas, uma vez que incitam
constantes contrações que têm início na camada superficial do pavimento, e progridem para o seu
interior. Acontece que o pavimento contrai perante esta situação, e o ligante não consegue aliviar as
tensões, dando-se o seu fendilhamento. Por outro lado, a altas temperaturas também pode ocorrer
fendilhamento, sendo, no entanto, mais usual que ocorram fenómenos de deformação.
Para além dos destacados, a compactação mal executada do pavimento também dá origem
ao aparecimento de algumas fendas, pelo que os vazios preenchidos por ar são muitos, provocando
fendilhamento em blocos. Da mesma forma, o assentamento de terras, ou uma drenagem deficiente,
são outras possíveis causas do fendilhamento dum pavimento (Blades e Kearney, 2004).
Deformação
Geralmente, a origem da deformação está associada à instabilidade da mistura betuminosa,
movimento, ou fraqueza, na camada base ou sub-base, que por sua vez afeta a camada de desgaste
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
12 Leonor Burguete
(Blades e Kearney, 2004). É habitual visualizar-se ondulações à superfície do pavimento, tal como
demonstrado na Figura 2.3, sendo estas resultantes da deformação plástica.
A deformação do pavimento pode também ocorrer devido às altas temperaturas, ou devido à
passagem excessiva de tráfego (INIR, 2011). Tipicamente a camada superficial é a mais vulnerável a
este tipo de fenómeno, pois por vezes acontece as camadas superficiais não serem concebidas para
suportar pressões elevadas.
A resolução deste problema passa por melhorar a qualidade dos agregados e dos ligantes da
mistura betuminosa, bem como executar adequadamente a mistura dos mesmos. Não pode
acontecer, por exemplo, haver demasiado betume, ou pelo contrário muito pouco, ou demasiados
finos, ou agregados sem rugosidade (Blades e Kearney, 2004).
Figura 2.3 - Deformação do pavimento (Blades e Kearney, 2004)
Desagregação
A desagregação do pavimento começa quando a superfície vai-se desintegrando,
nomeadamente os finos, formando cavidades. Essa desintegração da mistura betuminosa tem
tendência a agravar-se ao longo do tempo com a passagem de tráfego, assim como devido à
presença de água (Blades e Kearney, 2004). O que acontece é que os agregados vão-se danificando
devido a estes condicionalismos, e perdem o seu revestimento ligante.
A compactação mal executada também agrava a desagregação superficial da camada de
desgaste, deixando nesta uma grande quantidade de vazios (Blades e Kearney, 2004). Com a
contínua e agressiva decomposição da camada superficial, surge o aparecimento de pequenas
covas, que com o tempo e condições ambientes mais adversas, vão aumentando de tamanho e de
profundidade, como se mostra nos dois exemplos da Figura 2.4.
Este tipo de problema acontece com mais regularidade do que a desejável, afetando
gravemente a condução dos utilizadores, pondo em risco a sua segurança. Esta situação agrava
quando a água das chuvas fica contida nesses buracos, o que se torna demasiado perigoso, uma vez
que a água confere um efeito camuflagem ao buraco existente. Com uma intensiva desagregação da
superfície do pavimento, a camada superficial acaba por desaparecer na totalidade. Para que a
desagregação evolua até este ponto é necessário passar bastante tempo, no entanto, se não se
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 13
proceder à manutenção do pavimento, nesse caso é natural que se torne difícil corrigir corretamente
este problema.
a)
b)
Figura 2.4 - Desagregação da camada de desgaste (Blades e Kearney, 2004): a) Covas na camada superficial; b) desintegração da superfície do pavimento
Defeitos da Camada Superficial
Perante a circunstância de temperaturas bastante altas, nomeadamente no verão, o betume
da mistura betuminosa pode subir à superfície, resultando num pavimento liso, pegajoso e
escorregadio, de cor preta brilhante, própria do betume aquecido. Deste modo, e como na maioria
das vezes estes defeitos situam-se nas zonas de passagem das rodas dos veículos, é evidente que a
segurança fica comprometida, sendo importante corrigir imediatamente este problema. As causas
mais comuns para a subida do ligante à superfície são, entre outras: compactação excessiva, devido
ao intenso tráfego pesado, ou perda dos agregados que constituem a cobertura da camada superior
(Blades e Kearney, 2004).
Outro ponto a ter em consideração sobre este tipo de agressão tem que ver com a resistência
do pavimento à derrapagem. Quando as superfícies encontram-se secas e limpas, é característico ter
valores de alta fricção. No entanto, quando existe uma pequena quantidade de água, ou mesmo
betume à superfície, a distância de travagem de um veículo, ou a sua capacidade de curvar, podem
alterar drasticamente. Também o polimento dos agregados da superfície do pavimento diminui o
atrito, afetando a segurança da circulação do tráfego. Com polimento e presença de água está-se
perante um pavimento escorregadio, com resistência à derrapagem muito baixa (Neves, 2010).
2.5 Nanotecnologia
2.5.1 Considerações Gerais
Nas secções seguintes faz-se uma introdução à nanotecnologia, tendo em vista a reunião da
informação relativa aos nanomateriais mais utilizados e conhecidos nas diversas áreas de aplicação.
Pretende, ainda, descrever-se as potencialidades das MBQ com incorporação de nanomateriais, de
forma a conseguir fortalecer-se a resposta destas ao resultado do seu uso em camadas de desgaste
que, como se viu nas seções anteriores, podem deteriorar rapidamente a capacidade resistente
inicial.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
14 Leonor Burguete
Para melhor compreender o conceito de nanotecnologia, é vital começar pelo esclarecimento
do seu prefixo “nano”. A unidade de medida - nanómetro (nm) - é um bilionésimo de um metro de
distância (equivalente a 1x10-9
metros), ou seja, é uma unidade de medida tão pequena que é
invisível a olho nu. A nanotecnologia refere-se, portanto, à manipulação da estrutura da matéria à
escala do nanómetro (Foresight Institute@, 2012).
No que diz respeito à história da nanotecnologia, Richard Feynman foi o primeiro cientista, em
1959, a sugerir que havia a possibilidade de que um dia os materiais poderiam vir a ser fabricados
com especificações átomo por átomo. Este conceito foi ampliado e popularizado em 1986, sendo K.
Eric Drexler quem aplicou, pela primeira vez, o termo “nanotecnologia” para a visão de Feynman.
Com o contínuo estudo sobre a ciência e tecnologia da nanoescala, e havendo progressos visíveis,
em meados dos anos 80 o termo “nanotecnologia” começou a fazer sentido para os investigadores, e
para o mundo em geral. Esta designação passou a ser reconhecida, dizendo respeito a qualquer
tecnologia que controla a estrutura da matéria à nanoescala (Foresight Institute@, 2012).
Um fator relevante a ter em consideração quando se aborda a temática da nanotecnologia é a
ciência química que se encontra diretamente associada. Esta trata dos átomos que formam
moléculas, e das diversas relações e/ou arranjos que podem haver entre elas, dando origem a
células, tecidos, órgãos e indivíduos. Uma pertinente questão foi levantada por Richard Feynman: “O
que poderá acontecer se colocarmos os átomos, um por um, na forma que desejarmos?” (Foresight
Institute@, 2012). A resposta a esta pergunta passa pela combinação da química com a
nanotecnologia, ou seja, da relação da existência de átomos com a hipótese de serem organizados
de uma forma pensada. Isto significa que se está perante uma grande oportunidade para apostar em
novos e melhores dispositivos e/ou materiais, independentemente da área em causa (química, física,
engenharia, medicina, entre outras). O objetivo é que os novos materiais, ou novos dispositivos,
sejam úteis e com características únicas, bem como sejam solução para determinados problemas.
A nanotecnologia é uma tecnologia que está em constante desenvolvimento, tendo já
produzido produtos altamente sofisticados, como por exemplo robots e nanoprocessadores (Foresight
Institute@, 2012), que demonstram como há influência direta das alterações feitas à escala nano na
escala macro.
2.5.2 Papel da Nanotecnologia na Atualidade - Prós e Contras
Como qualquer tecnologia, é possível destacar algumas vantagens e desvantagens. No que
diz respeito a vantagens, a nanotecnologia tem tido um papel importante na resolução de alguns
problemas atuais. Em seguida, evidenciam-se alguns desses problemas onde a nanotecnologia tem
interferido, apontando-se determinados exemplos de como o tem feito (Foresight Institute@, 2012).
Fornecimento de energia limpa e renovável, através, por exemplo, da criação de uma
nova rede elétrica, e de células de combustível que visam gerar energia elétrica;
Fornecimento de água potável, segundo a deteção à escala nano dos contaminantes da
água e a produção de melhores sistemas de filtração;
Melhoria na qualidade de vida das pessoas, em termos de salubridade, tendo em vista a
alteração do ácido desoxirribonucleico (ADN), de maneira a reparar as células
danificadas, bem como a criação de novos métodos de administração de medicamentos;
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 15
Preservação do meio ambiente, através da utilização de nanosensores que permitem
controlar os níveis de poluição, assim como da criação de novos materiais, sem afetar a
biodiversidade;
Permitir que a tecnologia de informação esteja disponível para toda a gente, segundo o
desenvolvimento de melhores dispositivos, processadores, e sistemas inteligentes, bem
como mais baratos, promovendo a comunicação a nível global;
Desenvolvimento do setor espacial, produzindo fatos inteligentes, mais fortes e mais
leves, garantindo mais segurança durante a realização das operações espaciais.
Estes problemas existem ao nível mundial, e por essa razão tem-se apostado bastante na
pesquisa e desenvolvimento da nanotecnologia igualmente à escala mundial. A sua presença
evidencia-se nos E.U.A., Europa, Japão, e um pouco no resto do mundo, destacando-se a liderança
dos primeiros (Foresight Institute@, 2012).
No entanto, existem também limitações inerentes à aplicação da nanotecnologia, sendo elas
(Steyn, 2009):
Custo;
Ambiente e saúde pública;
Escala.
O facto dos nanomateriais serem de tecnologia recente, e dos equipamentos utilizados serem
complexos, é natural que o seu custo seja significativamente alto. Esse custo tem vindo a diminuir ao
longo dos anos, sobretudo no que se refere aos nanomateriais, visando desafiar a evolução de
métodos tradicionais, que continuam a ter um custo bastante mais acessível (Gopalakrishnan et al.,
2011).
Quanto à questão ambiental e saúde pública, nomeadamente nos últimos anos, têm surgido
algumas preocupações sobre os seus potenciais efeitos, devido às denominadas “nanopartículas”
(Foresight Institute@, 2012). Pelo facto de não serem visíveis a olho nu, torna-se difícil saber onde se
encontram essas nanopartículas e para onde se dirigem, permitindo que haja contacto direto com o
corpo humano (quer seja por contacto direto na pele, ou por inalação). Levanta-se assim a hipótese
de causarem danos nas células humanas, especialmente se se tratar de nanopartículas que
apresentam alguma toxicidade. Nos E.U.A., o governo e as entidades reguladoras já começaram a
olhar para estas questões, debatendo a necessidade de haver regulação sobre a nanotecnologia.
No que se refere ao problema da escala, este tem que ver com o grande salto dimensional
que existe entre as escalas nano e macro. O que se pretende é aproveitar os benefícios da
nanoescala, não pondo em causa as propriedades quando utilizadas na macroescala (Steyn, 2009).
Este problema está bastante associado aos outros dois, devido à necessidade de se contabilizar os
custos de produção e de energia consumida, que são dependentes da quantidade de nanomaterial
utilizada (Rana et al., 2009), e devido à utilização das referidas nanopartículas tóxicas que coloca em
causa a bondade do seu efeito quando usadas em macro escala.
Como já foi referido anteriormente, a nanotecnologia é uma tecnologia bastante recente, e
portanto, ainda em evolução. O que por um lado pode ser preocupante, devido ao pouco
conhecimento que se tem sobre o assunto, por outro pode ser encarado como um desafio. Pensa-se
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
16 Leonor Burguete
inclusivamente que esta tecnologia poderá resultar numa nova revolução industrial, constituindo,
então, um tipo de tecnologia revolucionária, transformadora, potente, mas também aliada a diversos
riscos e vantagens, alguns naturalmente ainda desconhecidos (FIB, 2006).
Baseado nesta visão, e pegando no desafio de aplicá-la à engenharia civil, particularmente à
engenharia rodoviária, procede-se, então, ao estudo daquilo que já foi feito relativamente à
pavimentação, destacando-se alguns nanomateriais. Este é o primeiro passo para melhor
compreender em que estado esta área se encontra, de maneira a definir qual o passo seguinte.
2.6 Nanotecnologia Aplicada à Engenharia Rodoviária
2.6.1 Considerações Gerais
O facto de haver um grande desenvolvimento da nanotecnologia nas áreas da engenharia
química, física, e eletrónica, permite pensar que há um forte potencial quando aplicada na engenharia
rodoviária, procurando-se aumentar o nível da qualidade de vida na sociedade. É essencial aproveitar
o desenvolvimento que já foi atingido nas primeiras áreas, de maneira a aplicá-lo à segunda.
A engenharia inicialmente interessava-se pelas propriedades à escala macro e meso, até que
as escalas micro e nano destacaram-se devido à sua potencialidade no desenvolvimento da ciência e
da tecnologia (You et al., 2010). Na Figura 2.5 apresenta-se a evolução do comprimento de escala de
um pavimento, desde a escala macro até à escala quântica.
Figura 2.5 - Demonstração da evolução das diferentes dimensões do pavimento (You et al., 2010)
De acordo com o que tem sido referido, a engenharia rodoviária apoia-se essencialmente em
quatro finalidades: segurança, durabilidade, economia, sustentabilidade. Em seguida é explicado
cada um desses aspetos, enunciando alguns exemplos de progresso:
A segurança é o objetivo primordial, e aquela pela qual os utilizadores naturalmente mais
se preocupam. Os problemas associados às MBQ (rotura, deformação, desagregação e
defeitos da camada superficial) que afetam de forma direta a segurança, têm
necessariamente de ser mitigados. Neste sentido, são aplicadas soluções
nanotecnológicas que visam melhorar o comportamento das misturas betuminosas,
segundo, por exemplo, a alteração das propriedades dos materiais aí utilizados. Um
exemplo com sucesso neste aspeto da segurança é a aplicação de óxido de zinco nas
misturas betuminosas, conferindo um efeito hidrofóbico à superfície do pavimento (Hou
et al., 2007 citado em Steyn, 2008). Outro exemplo é a aplicação de carboneto de silício
nos pneus, de maneira a melhorar a resistência à derrapagem devido à presença de
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 17
água, e também diminuir a abrasão do pneu até 50% (Wang et al., 2002 citado em
Steyn, 2008);
A durabilidade tem que ver com a capacidade da infraestrutura ser sustentável, e ter um
adequado comportamento em serviço durante o período de vida previsto, sem que para
tal seja necessário despender custos de manutenção e reparação imprevistos. Tal como
no critério da segurança, o melhoramento das propriedades dos materiais existentes, ou
o desenvolvimento de novos materiais, são os principais benefícios que a
nanotecnologia pode proporcionar. É possível apontar um exemplo, e tem que ver com a
resistência à abrasão dum betão de cimento usado em pavimentação, que pode
aumentar entre 90 e 180% devido à introdução de dióxido de silício (SiO2) e dióxido de
titânio (TiO2) (Li et al., 2006 citado em Steyn, 2008). A última evolução apontada diz
respeito ao melhoramento da resistência às forças de flexão e de corte das misturas
betuminosas, através da incorporação de nanomateriais;
O objetivo de ter o menor custo possível utilizando uma solução nanotecnológica diz
respeito à realização de uma manutenção mais apropriada da infraestrutura. Este tipo de
solução visa alterar e melhorar as condições da infraestrutura, prolongando o seu tempo
de vida útil. A economia tem em conta não só o custo que a aplicação de nanomateriais
acarreta, como também os possíveis efeitos prejudiciais para a saúde das pessoas e
para o ambiente, o que pode revelar-se numa solução um pouco dispendiosa. Um
exemplo de progresso é o uso de revestimentos incorporados por nanomateriais que
visam prolongar a vida útil da infraestrutura, pois resistem a mecanismos de deterioração
e a condições de exposição ambientais agressivas. Como exemplo, evidencia-se a
incorporação de nanopartículas de óxido de zinco em revestimentos, atribuindo um efeito
anti-corrosivo e de protecção contra a radiação ultravioleta (UV);
A sustentabilidade de uma infraestrutura tem que ver com sua condição para se manter
ou conservar, nomeadamente perante os efeitos ambientais. Segundo Maher et al.
(2006), um pavimento diz-se sustentável quando minimiza a utilização de recursos
naturais, reduz as emissões dos gases para a atmosfera, limita a poluição (ar, água,
terra, e ruído), reduz o consumo de energia e garante condições de conforto e segurança
para o utilizador. Para esta finalidade, a nanotecnologia procura fazer diferença no que
diz respeito à modificação das propriedades de materiais que apresentam alguma
toxicidade e que são utilizados nas infraestruturas, como por exemplo: modificação do
asbesto (Steyn, 2008).
É percetível que as quatro finalidades estão interligadas. Tendo em atenção a relação entre a
durabilidade e a economia, é possível referir que as operações de manutenção têm influência direta
no custo de vida útil da infraestrutura. Hoje em dia, investigam-se objetivos bastante promissores
para os nanomateriais, procurando que venham a funcionar como sensores da necessidade de
manutenção, através da deteção da alteração das propriedades dos materiais que constituem a
infraestrutura (Rana et al., 2009). Ainda dentro deste contexto, e segundo Birgisson (Birgisson et al.,
2010 citado em You et al., 2010), a nanotecnologia é necessária para desenvolver pavimentos mais
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
18 Leonor Burguete
seguros e sustentáveis, afirmando ainda que a vida útil dos pavimentos pode aumentar cerca de duas
a três vezes a sua vida útil corrente.
Segundo Steyn (2009), o potencial das propriedades dos nanomateriais nos pavimentos
baseia-se nas necessidades e nos desafios ao nível da engenharia, existindo, assim, duas vertentes
por onde a nanotecnologia pode ajudar:
1) Desenvolvimento de melhores materiais;
2) Caracterização de materiais novos ou já existentes.
Analisando a primeira alternativa, tendo-se em consideração o desenvolvimento de melhores
materiais, é necessário ter em conta que a maioria dos materiais utilizados na construção e
manutenção dos pavimentos rodoviários é de origem natural, podendo depois ser ou não
modificados, como é o caso do betume. Associados a este fenómeno, levantam-se alguns problemas
como a incompatibilidade de certos agregados e ligantes, ou a deterioração dos materiais perante
determinadas condições ambientais (tais como a presença de água ou sensibilidade à temperatura),
bem como perante o seu uso (por exemplo, rotura por fadiga). Alguns exemplos onde a
nanotecnologia tem sido aplicada, com vista à evolução de materiais a usar nas infraestruturas de
transporte, têm que ver com:
O comportamento mais resistente perante o aparecimento de fendas, ou mesmo rotura,
das misturas betuminosas (Steyn, 2009);
Auto-reparação de materiais, tendo a particularidade de reparar os próprios danos do
pavimento, nomeadamente fendilhamento (Balazs, 2007);
Aumento da durabilidade do betão de cimento (Steyn, 2009);
Utilização de camadas autoligáveis - self-assembled monolayers (SAM), constituídas por
nanomateriais que procuram alterar as propriedades da superfície dos agregados. A
principal razão tem que ver com o facto de existirem casos de incompatibilidade na
ligação do ligante com o agregado, pois a sua adesividade ao betume é pouca. De
acordo com Steyn (2008), as camadas autoligáveis são colocadas na superfície dos
materiais, de maneira a melhorar algumas características como a rigidez, a durabilidade,
a resistência à derrapagem, e a resistência à água;
Incorporação de nanofósforo no betume, que devido à sua particularidade de conseguir
torná-lo luminoso, permite uma melhor iluminação de partes do pavimento. Deste modo,
é garantida uma circulação do tráfego mais segura.
Ainda dentro da primeira vertente, e de forma a patentear a diversidade de soluções
nanotecnológicas, é possível evidenciar mais exemplos onde se realça o seu sucesso quando
aplicadas à engenharia rodoviária (Pacheco-Torgal e Jalali, 2010):
Uso de nanotubos de carbono - Carbon Nanotubes (CNT), no betão de cimento, de
maneira a aumentar a sua durabilidade. Os CNT são substâncias constituídas por
carbono com uma nanoestrutura muito resistente em forma de tubo, que se destacam
pelas suas excelentes propriedades mecânicas;
Incorporação de dióxido de titânio, que para além de aumentar a resistência à abrasão
dum betão de cimento, reduz também a poluição do ar. Esta redução é conseguida, de
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 19
acordo com Poon e Cheung (Poon e Cheung, 2007 citado em Pacheco-Torgal e Jalali,
2010), segundo a redução das emissões de NOx (nome genérico para os compostos
óxido nítrico e dióxido de azoto).
Na sequência daqueles objectivos mais gerais, sabe-se quais as questões que a
nanotecnologia aplicada à engenharia rodoviária visa ajudar. No essencial, essas questões dizem
respeito a (Partl et al., 2004):
Ligação entre agregados;
Ligação entre as camadas do pavimento;
Propriedades da camada de desgaste (repelente de água, auto-limpeza, resistência à
abrasão);
Ligação/adesão entre ligante e agregado;
Superfície anti-aderente durante a compactação.
Relativamente à segunda vertente, a caracterização de materiais novos ou já existentes
passa pela utilização de técnicas para observar os fenómenos de engenharia, que vão desde a
avaliação micro até à macro. O objetivo é compreender o comportamento de alguns materiais mais
comuns nesta área. As técnicas meramente observacionais são técnicas bastante utilizadas à escala
macro, que procuram fazer uma caracterização geográfica e/ou geológica dos pavimentos. Por vezes,
mais do que observar à macroescala, interessa, por exemplo, caracterizar o ligante e respetivas
propriedades de forma mais minudenciada, pois a nanotecnologia é aplicada exatamente a esta
escala. Com isto, pretende-se avaliar a microestrutura dos materiais através de equipamentos de
resolução apropriados, tais como o microscópio de força atómica - Atomic Force Microscopy (AFM).
Segundo Steyn (Steyn, 2009), durante um estudo realizado pelo Council for Scientific and Industrial
Research (CSIR), utilizou-se este tipo de caracterização, em ordem à análise da correlação entre o
envelhecimento do betume e a sua rigidez, fazendo variar, por exemplo, a temperatura. Foram
testados quatro tipos de betume, sujeitos a temperaturas distintas, e denotaram-se as variações
morfológicas da superfície do betume ao longo do tempo. Esta evidência tem sido aprofundada, no
sentido de descobrir de que forma o envelhecimento do betume, nomeadamente na camada
superficial, influencia o seu desempenho.
Tendo em atenção as vantagens e desvantagens anteriormente referidas relativas à
nanotecnologia, e considerando os requisitos e problemas associados à camada de desgaste já
explicados, no Quadro 2.4 encontra-se uma compilação de determinados objetivos que habitualmente
são requeridos em cada fase da conceção dum pavimento, quando constituído por misturas
betuminosas incorporadas por nanomateriais. Naturalmente que é difícil reunir todos estes aspetos,
no entanto, fica claro qual a direção que o estudo dos nanomateriais deve tomar. Importa referir que
estes objetivos não se revelam novidade na boa conceção dum pavimento, contudo face aos
problemas que podem ser resolvidos pela aplicação de nanomateriais é natural que sejam mais
enfatizados.
No geral, os problemas que a nanotecnologia acarreta quando usada noutras áreas são
praticamente os mesmos que quando aplicada à pavimentação. De acordo com o exposto nas
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
20 Leonor Burguete
secções anteriores, os problemas resumem-se ao fabrico, à saúde pública e ambiente, e aos custos
(Rana et al., 2009).
Quadro 2.4 - Objetivos gerais da aplicação de nanomateriais em cada fase de conceção dum pavimento (adaptado de Partl et al., 2004)
Fase de Conceção Objetivos
Planeamento
Útil para os utilizadores e meio ambiente;
Económico;
Disponível em grandes quantidades.
Construção
Baixo consumo de energia;
Facilidade de execução;
Possível de construir em qualquer altura do ano, independentemente das condições atmosféricas;
Operacional o mais rápido possível;
Não tóxico, isto é, não agressivo para o ambiente e para a saúde pública.
Utilização
Seguro;
Resistente, principalmente à rotura e à deformação;
Durável;
Multifuncional (garantia de visibilidade, conforto, circulação de tráfego pesado).
Reparação/Substituição
Fácil de reparar;
Material “inteligente”, isto é, auto-reparável e/ou sensor de degradação;
Sustentável.
A problemática do fabrico está diretamente relacionada com o fator “dimensão”. A incerteza
que existe devido aos possíveis efeitos dos materiais, que existem numa nanoescala, com
propriedades diferentes quando usados a uma escala maior, levanta preocupações e leva à
necessidade de várias investigações. É fulcral garantir a compatibilidade entre os materiais usados na
construção e manutenção de pavimentos e o meio ambiente envolvente (Steyn, 2009).
Uma vez que a construção de pavimentos requer uma grande quantidade de material, face à
longa extensão de estrada que é necessário geralmente construir ou conservar, é preciso ter em
conta que os nanomateriais não podem ser agressivos, assim como devem proporcionar um custo
acessível. Caso contrário a sua aplicação é posta em causa, tornando-se numa solução muito pouco
viável.
A direção desta dissertação aponta para a resolução dos desafios agora apontados, próprios
do início da aplicação duma nova tecnologia. É necessário ser realista e definir estratégias ante as
ditas limitações. Naturalmente que é difícil satisfazer todas as necessidades, no entanto, o que se
pretende é encontrar soluções que otimizem as misturas betuminosas, reunindo tantos requisitos
quanto for possível. Não obstante, You et al. (2010) garante que a nanomodificação tem grande
potencial no melhoramento da resistência à fadiga, à rotura, e à deformação das misturas
betuminosas.
Segundo todos estes aspetos, é claro como a ciência química e física são fulcrais na
otimização dos recursos utilizados na engenharia rodoviária. A nanotecnologia, independentemente
da área onde é aplicada, resume-se à alteração das ligações químicas, e/ou da sua disposição,
elaborando estruturas estáveis com elas.
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 21
2.6.2 Nanomateriais Incorporados nas Misturas Betuminosas a Quente
Segundo Jahromi e Khodaii (Jahromi e Khodaii, 2009), nas misturas betuminosas modificadas
com nanomateriais, o peso destes pode variar entre 3 e 7% do peso do betume asfáltico, ao passo
que os filers variam aproximadamente entre 20 e 40% do peso do mesmo.
A incorporação dos nanomateriais nas misturas betuminosas prevê-se que seja feita
diretamente no betume. Este é o método, à partida, mais sugestivo, pois o betume é também ele
classificado como um nanomaterial (Gopalakrishnan et al., 2011), estando, assim, facilitada a relação
entre os dois à nanoescala. Contudo, Gopalakrishnan et al. (2011) refere que, ao nível mundial, as
reservas de petróleo têm vindo a diminuir, daí que o preço do betume deva aumentar de forma
acentuada, sugerindo que a aplicação de técnicas desenvolvidas no campo da nanotecnologia pode
promover novas e sustentáveis alternativas.
Por razões que se prenderam com a revisão efetuada e, principalmente, com a orientação
recebida da engenharia química do IST (Prof. João Bordado), nomeadamente relacionada com a
disponibilidade comercial dos materiais e com alguma experiência da sua utilização que indiciava
uma modificação do comportamento das misturas com potencial de poder assegurar uma melhoria da
resistência, o estudo admitiu o uso de 3 tipos de nanomateriais:
Montmorilonite;
Carbonato de Cálcio Precipitado (PCC - Precipitate Calcium Carbonate);
Sílica.
Montmorilonite (nano-H2Al2O6Si)
A nanoargila mais comum denomina-se montmorilonite, e é um mineral composto por silicato
de alumínio, magnésio, e cálcio hidratado. É reconhecido por ser o constituinte principal da bentonite,
sendo este um produto proveniente das cinzas vulcânicas (Sigma-Aldrich, 2012). Apresenta uma cor
bege, tem aspeto granulado, como se pode comprovar na Figura 2.6, e de acordo com o
Regulamento (CE) No. 1272/2008 (JOUE, 2008) não é uma substância tóxica.
Figura 2.6 - Nanomaterial montmorilonite
As propriedades químicas da montmorilonite encontram-se definidas no Quadro 2.5.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
22 Leonor Burguete
Quadro 2.5 - Propriedades químicas da montmorilonite (adaptado de Sigma-Aldrich, 2012)
Propriedades Químicas nano-H2Al2O6Si
Peso molecular 180,1 (g/mol)
pH 6,0 - 9,0
Peso específico 2400 (kg/m3)
O Quadro 2.5 chama à atenção das propriedades que devem ser destacadas sobre a
montmorilonite, apresentando esta um peso molecular significativo, em comparação com o peso
molecular da água, que toma o valor de 18,05 g/mol. Apresenta também um pH aproximadamente
neutro, com uma variação próxima do pH da água, sendo este último equivalente a 7,0 (EPAL@,
2013). O peso específico da montmorilonite é semelhante ao peso específico do alumínio que se
caracteriza por um valor de cerca de 2600 kg/m3. Para melhor compreender esta comparação, é
importante referir que o alumínio é dos metais com menor peso específico.
Este material é tipicamente usado na indústria do petróleo, sendo também usado como
aditivo de solo, para conservar a água dos solos com tendência a serem secos (Papke, 1969). Outra
finalidade a ter em conta é o seu comportamento catalisador, pelo que tem sido extensivamente
usado em processos catalíticos (Lloyd, 2011), de modo a obter novas ou diferentes substâncias.
A utilização de montmorilonite na produção de misturas betuminosas, deve-se à sua
particularidade em melhorar a resistência química do ligante, e de, consequentemente, melhorar a
sua reologia (Jahromi e Khodaii, 2009). De acordo com You et al. (2010), as moléculas de nanoargila
têm tendência para se ligarem umas às outras, devido à força eletrostática que se faz sentir entre
elas.
Na Figura 2.7 apresenta-se a estrutura de ligação do betume com a montmorilonite. O
principal problema deste tipo de nanomaterial tem que ver com a sua dificuldade em se dispersar,
associada ao fenómeno de esfoliação, pelo que pode acontecer a nanoargila não interligar de forma
adequada com o betume.
Figura 2.7 - Estrutura da ligação betume - nanoargila (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009)
Como exemplos de outras nanoargilas aplicadas em MBQ, tem-se a nanoargila cloisite-30B e
o nanomer-1.28E, que melhoram as propriedades mecânicas do ligante. O segredo está na dispersão
da nanoargila que, quando incorporada num material termoplástico, provoca o aumento da rigidez e
da resistência à tração, módulo de elasticidade, e resistência à flexão (Jahromi e Khodaii, 2009).
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 23
A ficha informativa relativa à montmorilonite pode ser consultada no Anexo A.
Carbonato de Cálcio Precipitado (nano-CaCO3)
O material é constituído por átomos de cálcio, carbono e oxigénio, sendo que podem
organizar-se de diversas maneiras, dando origem a diferentes PCC (Specialty Minerals@, 2012a).
Apresenta uma cor esbranquiçada, como se pode comprovar na Figura 2.8, bem como tem aspeto
granulado.
Figura 2.8 - Nanomaterial PCC
Geralmente, o PCC é tratado como uma suspensão aquosa, e como tal é necessário um
conjunto de procedimentos em ordem à obtenção do PCC em pó. De forma pragmática, o que
acontece é que a água da suspensão pode ser evaporada numa estufa, num evaporador, ou mesmo
por evaporação solar, sendo o produto final, já seco, o PCC em forma de pó. Este procedimento só é
possível porque se trata de uma suspensão, e não de uma solução. No capítulo seguinte, referente à
descrição dos trabalhos experimentais, serão explicados os processos laboratoriais realizados para a
obtenção do PCC em pó.
No Quadro 2.6 encontram-se as propriedades químicas mais relevantes do PCC.
Quadro 2.6 - Propriedades químicas do PCC aquoso (adaptado de Omya, 2010)
Propriedades Químicas nano-CaCO3 (aquoso)
Teor em sólidos 19,0 (%)
pH 8
Peso específico 1136 (kg/m3)
No Quadro 2.6 é possível visualizar que o PCC tem um teor em sólidos bastante baixo, com
apenas 19%, implicando que o tempo de evaporação seja bastante moroso. O seu pH é neutro,
estando muito próximo do valor de referência de neutralidade. Quanto ao seu peso específico, o seu
valor está bastante próximo do peso específico da água destilada (1000 kg/m3).
O PCC desde sempre que foi usado exclusivamente como matéria-prima na indústria de
fabrico do papel e cartão, com a finalidade de atingir o brilho elevado e a opacidade dos mesmos
(Omya, 2010). A utilização do PCC expandiu-se para outras áreas, tais como a indústria automóvel
ou o setor da construção. O facto das partículas de PCC serem ultrafinas, permite que sejam
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
24 Leonor Burguete
adicionadas a selantes, tais como silicones ou polímeros de cloreto de polivinila (PVC), com o intuito
de melhorar o desempenho físico destes (Specialty Minerals@, 2012b).
A ficha informativa relativa ao PCC pode ser consultada no Anexo B.
Sílica (nano-SiO2)
O nome corrente para este material é sílica, mas o nome técnico correto é dióxido de silício.
Tem um aspeto amorfo, constituído por grãos esféricos de cor branca, como se pode observar na
Figura 2.9, encontrando-se as suas propriedades mais pertinentes no Quadro 2.7. Importa referir que
a maior parte da informação referente às características e aplicabilidade da nanosílica foi retirada
com base na sua ficha técnica, tendo esta sido disponibilizada pela empresa fornecedora que pediu
reserva de identificação.
Figura 2.9 - Nanomaterial sílica
Com base no Quadro 2.7, é possível confirmar que a área de superfície específica da sílica é
significativa, sendo esta propriedade de uma relevância tal, que é decisiva quanto à razão da escolha
de um nanomaterial. Para que este consiga ter um efeito significativo nas misturas betuminosas,
propõe-se a utilização daquele que tiver maior área de superfície específica. A razão desta escolha
prende-se com o efeito maior no mastique (betume + nanomaterial), relacionado com o aumento da
sua resistência às deformações e tensões. Neste caso, o pH não é conclusivo pelo facto de não ser
aplicável. Quanto ao peso específico, apresenta um peso específico idêntico ao da montmorilonite.
Quadro 2.7 - Propriedades químicas da sílica
Propriedades Químicas nano-SiO2
Área de superfície específica 64,0 (m2/g)
pH Não se aplica
Peso específico 2200 - 2600 (kg/m3)
A sílica é a matéria-prima básica para a produção do vidro. A sua aplicabilidade tem que ver
com a sua dureza, o que permite a produção de superfícies não riscáveis, e tem sido também cada
vez mais utilizada de maneira a obter superfícies hidrofóbicas. A sua adição nos polímeros tem
variados objetivos, tais como aumentar a rigidez e a resistência ao impacto. De acordo com Pacheco-
Torgal e Jalali (Pacheco-Torgal e Jalali, 2010), as partículas de nanosílica aumentam a tensão de
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 25
compressão do mastique. Isto acontece devido ao composto de sílica que contribui para uma
microestrutura mais densa, ou seja, mais forte.
De acordo com o Regulamento (CE) No. 1272/2008 (JOUE, 2008), este material é
classificado como não agressivo. Não obstante, são exigidos alguns cuidados no seu manuseamento,
tais como evitar o contacto com a pele, com os olhos, inalação, entre outros, sendo mesmo evitável a
exposição prolongada com esta substância. Quanto à reação ao fogo, classifica-se como não
inflamável. Habitualmente, a sílica tem um comportamento inerte.
O problema da toxicidade é de grande importância, como se referiu anteriormente. O facto de
não se ter certeza sobre a toxicidade da partícula obriga a que o uso da mesma seja cauteloso. A
cautela diz respeito à prevenção da inalação, e ao uso de luvas para evitar o contacto direto com a
pele. Caso contrário, há a possibilidade de danificação do ADN, resultando no desenvolvimento de
cancro no futuro. No entanto, este risco não é para a generalidade dos nanomateriais, pois alguns
autores defendem que a toxicidade depende do tipo de nanopartículas, e da sua concentração em
volume (Pacheco-Torgal e Jalali, 2010).
Atualmente, e desde há poucos anos para cá, têm vindo a ser desenvolvidos e utilizados
nanomateriais para a produção de MBQ, sendo ainda de difícil definição qual o seu papel nas
misturas betuminosas, ou seja, se são aditivos ou agregados. Contudo, e como foi possível verificar
aquando da caracterização dos nanomateriais, particularmente a montmorilonite e a sílica, estes
estabelecem uma ligação química com o ligante, proporcionando alterações nas propriedades
químicas do betume e modificando o seu comportamento. Esta interação resulta na obtenção de um
só componente, indicando que o nanomaterial atua como um aditivo.
2.6.3 Estudos de Caracterização de Misturas Betuminosas Incorporadas por
Nanomateriais Realizados Noutro Contexto
Nesta secção descrevem-se dois estudos/ensaios experimentais (designados por Estudo I e
Estudo II) realizados sobre a incorporação de nanomateriais no ligante. Como se verá, os ensaios
realizados são recentes, o que sublinha o caráter inovador do presente assunto.
Estudo I
Este estudo foi apresentado num artigo denominado “Effects of nanoclay on rheological
properties of bitumen binder” (Jahromi e Khodaii, 2009).
O principal objetivo deste estudo foi observar a modificação da reologia do betume devido à
introdução, à escala nanoscópica, de determinada quantidade de nanoargila. A análise da
modificação do betume passou pela realização de alguns testes laboratoriais que permitiram
comparar o betume não modificado com o betume modificado com dois tipos de nanoargila, sendo
estas a cloisite-15A e a nanofil-15. Ambas as nanoargilas são substâncias orgânicas, que apresentam
cor esbranquiçada, e têm como composto base a montmorilonite.
Neste estudo, o betume de pavimentação utilizado foi o de penetração 50/70, segundo a
norma EN 12591 (CEN, 2009), caracterizado pelas propriedades referidas no Quadro 2.8. Quanto aos
nanomateriais incorporados, cloisite-15A e nanofil-15, as suas propriedades estão definidas no
Quadro 2.9.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
26 Leonor Burguete
Quadro 2.8 - Propriedades do betume (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009)
Propriedades Valores
Ponto de amolecimento 54°C
Penetração aos 25 °C 6,3 mm
Índice de penetração 0,4
Ductilidade aos 25 °C >100 cm
Peso específico 1035 kg/m3
Quadro 2.9 - Propriedades das nanoargilas: cloisite-15A e nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009)
Propriedades Cloisite-15A Nanofil-15
Tamanho das partículas 13 µm 25 µm
Índice de plasticidade 88% 85%
Peso específico 1660 kg/m3
1880 kg/m3
O processo de fabrico implicou a mistura direta do betume com as nanoargilas, a uma
temperatura próxima dos 150°C. Para que essa mistura fosse feita de forma adequada, isto é, para
garantir-se que a nanoargila era bem espalhada pelo betume, e conseguir-se estabelecer uma
ligação química com o mesmo, utilizou-se um agitador mecânico (a uma velocidade angular de 550
rotações por minuto (rpm) durante 30 min) próprio para esse efeito.
No que diz respeito à campanha experimental, os testes efetuados em ordem à determinação
das propriedades reológicas do betume, e que se revelaram de maior importância, foram: penetração,
de acordo com a norma ASTM D5 - 06 (ASTM, 2006a), ponto de amolecimento, de acordo com a
norma ASTM D36 - 06 (ASTM, 2006b), e ductilidade, correspondente à norma ASTM D113 - 07
(ASTM, 2007). A quantidade de nanoargila incorporada foi de 2%, 4% e 7% do peso de betume.
Os resultados obtidos do ensaio da penetração encontram-se na Figura 2.10, os do ponto de
amolecimento na Figura 2.11, e os da ductilidade na Figura 2.12.
Figura 2.10 - Resultados do ensaio de penetração em função da quantidade incorporada de cloisite-15A e de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009)
Importa referir que os resultados apresentados correspondem a valores obtidos dos ensaios
realizados para o betume virgem, isto é, acabado de ser produzido, tanto não modificado como
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 27
modificado com a incorporação de nanomaterial. A percentagem de incorporação de 0 diz respeito ao
betume não modificado.
Atendendo à Figura 2.10 relativa à penetração, é visível que a incorporação de nanofil-15
resulta num ligeiro aumento da penetração, sendo a percentagem de 4 a correspondente à maior
penetração obtida. A cloisite-15A teve um efeito contrário, apresentando uma significativa diminuição
da penetração com o aumento da percentagem de incorporação.
Quanto ao ponto de amolecimento, apresentado na Figura 2.11, é possível verificar que a
nanofil-15 tem pouca influência na variação desta propriedade, aludindo a um aumento máximo de
apenas 3% respeitante à incorporação de 7% de nanofil-15. Já a cloisite-15A provoca significativas
mudanças, sendo que o ponto de amolecimento aumentou continuamente de 54 para 61ºC com o
aumento da incorporação de nanomaterial.
Figura 2.11 - Resultados do ensaio da temperatura do ponto de amolecimento em função da quantidade incorporada de cloisite-15A e de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009)
Figura 2.12 - Resultados do ensaio da ductilidade em função da quantidade incorporada de cloisite-15A e de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009)
O ensaio da ductilidade do betume, demonstrado na Figura 2.12, demonstra que ambas as
nanoargilas provocam uma redução da ductilidade, sendo mais evidente para a cloisite-15A. Segundo
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
28 Leonor Burguete
Ghile (Ghile, 2005 citado em Jahromi e Khodaii, 2009), a explicação destes resultados tem que ver
com a reação química originada entre o betume e o nanomaterial, e consequente alteração da
estrutura química do nanocomposto resultante.
Com base nos resultados obtidos, foi possível calcular outros parâmetros que permitiram
conhecer uma outra característica do betume, igualmente importante, relacionada com o seu
envelhecimento. Este foi avaliado segundo a determinação da penetração retida (PR) e aumento do
ponto de amolecimento (APA), calculados pelas expressões (2.1) e (2.2), respetivamente. Ambos os
parâmetros fazem a comparação entre os resultados obtidos dum betume virgem com um betume
envelhecido. A obtenção do betume envelhecido, modificado e não modificado, foi simulado através
da realização do ensaio de envelhecimento denominado Rotating Cylinder Ageing Test (RCAT), de
acordo com a norma EN 15323 (CEN, 2007), concebido para medir o efeito de envelhecimento no
betume devido ao contacto com o calor e ar. O envelhecimento do betume está relacionado com o
facto dos voláteis evaporarem imediatamente após a sua produção e compactação, endurecendo-o.
Esta característica é particularmente importante pois visa determinar e controlar o comportamento do
betume em serviço, sendo natural que este apresente propriedades diferentes das propriedades do
betume virgem. Após o ensaio de envelhecimento do betume, foram realizados os ensaios de
penetração, temperatura do ponto de amolecimento e ductilidade no betume envelhecido.
( )
(2.1)
A PR foi calculada com base no rácio entre a penetração realizada no betume envelhecido e
a penetração no betume virgem, e o APA foi obtido segundo a diferença entre o ponto de
amolecimento do betume envelhecido e o ponto de amolecimento do betume acabado de ser
produzido. Na Figura 2.13 demonstram-se os resultados obtidos da penetração retida, estando na
Figura 2.14 os resultados referentes ao aumento do ponto de amolecimento.
A obtenção de um valor baixo de PR e um valor elevado do APA reflete a evolução do
envelhecimento do betume. Assim, a incorporação de nanofil-15 no betume, que apresenta um
aumento significativo de RP e uma diminuição também ela significativa de APA, resulta numa maior
resistência ao envelhecimento do betume. A cloisite-15A também demonstrou melhorias na
resistência ao envelhecimento do betume, mas não de forma tão acentuada como a nanofil-15.
Em todas as camadas dum pavimento, mas sobretudo na camada de desgaste, é importante
retardar o envelhecimento do betume, por forma a aumentar a durabilidade da mistura betuminosa.
Para além destes aspetos, também o facto do betume ser mais resistente ao envelhecimento, influi
positivamente na trabalhabilidade da mistura betuminosa a quente pois evita que endureça de forma
tão instantânea.
Através dos ensaios realizados foi possível confirmar que a presença das nanoargilas afetou
positivamente as propriedades reológicas do betume, havendo uma elevada compatibilidade na
ligação entre este e a nanoargila (Jahromi e Khodaii, 2009). A nanoargila adicionada, mesmo que em
pequena quantidade, mantem-se ligada às macromoléculas do betume, assegurando, dessa forma,
uma ligação estável e forte.
( ) ( ) (2.2)
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 29
Figura 2.13 - Resultados da penetração retida em função da quantidade incorporada de cloisite-15A e de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009)
Figura 2.14 - Resultados do aumento do ponto de amolecimento em função da quantidade incorporada de cloisite-15A e de nanofil-15 (adaptado de Jahromi e Khodaii, 2009)
Estudo II
Este estudo foi apresentado num artigo denominado “Nanoclay-modified asphalt materials:
Preparation and characterization” (You et al., 2010).
Segundo Zhanping You et al. (2010), a nanomodificação tem grande potencial no
melhoramento do desempenho das misturas betuminosas utilizadas na construção de pavimentos
rodoviários. Desse modo, o objetivo deste estudo foi perceber quais as alterações efetivamente
provocadas pela aplicação dos nanomateriais nas propriedades do ligante, com base em alguns
ensaios laboratoriais. Os ensaios efetuados permitiram avaliar a viscosidade do betume, e
caracterizar a sua rigidez.
Foram testados três tipos de betume, sendo o betume original 64-28, de acordo com a norma
AASHTO MP1 (AASHTO, 1998), e usualmente utilizado nas misturas betuminosas nos E.U.A., tendo
características semelhantes ao betume asfáltico 50/70 (Claxton e Green, 1999), de acordo com a
norma EN 12591 (CEN, 2009).
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
30 Leonor Burguete
A campanha experimental teve início com o fabrico do mastique. A adequada preparação
deste foi um processo fundamental, de modo a garantir que a ligação do betume com a nanoargila
fosse conseguida tanto quanto possível, levando à dispersão da nanoargila no betume. Para isso,
ambos os materiais foram misturados dentro de um aparelho rotacional, a uma velocidade angular de
2500 rpm durante 3 h. Este procedimento foi realizado para dois tipos de nanoargila, com as
diferentes quantidades de 2% e 4% do peso do ligante, denominando-se respetivamente de
nanoargila A e nanoargila B. Tal como no caso de estudo anterior, Estudo I, ambas as nanoargilas
tiveram como base a montmorilonite, com estruturas químicas bastante similares.
Após o fabrico do mastique, foram realizados os ensaios laboratoriais, apresentando-se na
Figura 2.15 os resultados obtidos do ensaio da viscosidade, realizado conforme as especificações
indicadas na norma ASTM D4402 (ASTM, 2002), e na Figura 2.16 os resultados obtidos do módulo
secante (quanto maior, maior a rigidez), sendo este o cociente entre a tensão e a deformação na
rotura do provete aquando da realização dum ensaio de tração de direta, de acordo com a norma
AASHTO TP3 (2000).
O ensaio da viscosidade visa medir a viscosidade dinâmica de um ligante a altas
temperaturas. A grandeza referida é definida de acordo com Branco et al. (2005) como a capacidade
de um corpo para sofrer deformações permanentes sob a ação de uma solicitação, sendo as tensões
funções lineares da velocidade de escoamento. Assim, e pela observação da Figura 2.15, é visível
que a introdução de 2% de nanoargila A induziu ao aumento da viscosidade do betume, e que a
introdução de 2% de nanoargila B provocou um aumento ainda mais significativo dessa viscosidade.
Figura 2.15 - Resultados obtidos do ensaio da viscosidade em função da variação da temperatura, para o betume original não modificado, betume envelhecido não modificado, betume modificado com nanoargila
A e betume modificado com nanoargila B (adaptado de You et al., 2010)
Variando a temperatura de ensaio desde 80, 100, 130, 135, 150 até 175ºC, a viscosidade
aumentou em média 41% e 112%, respetivamente para a nanoargila A e nanoargila B, em
comparação com o betume original. Também o betume envelhecido não modificado apresentou um
aumento médio da viscosidade de aproximadamente 102% (You et al., 2010).
Capítulo 2 - Caracterização de Misturas Betuminosas
Leonor Burguete 31
Neste estudo, a obtenção de um betume envelhecido, ou seja, endurecido devido ao efeito do
calor e do ar, foi conseguida através da realização do ensaio denominado Rolling Thin Film Oven
Test (RTFOT), de acordo com a norma ASTM D2872 (ASTM, 2004). Deste modo, a incorporação das
nanoargilas tiveram como resultado o aumento da viscosidade do betume original, melhorando as
propriedades do betume a altas temperaturas, o que permite concluir que a trabalhabilidade da
mistura betuminosa é assegurada, facilitando a sua colocação e compactação.
Figura 2.16 - Resultados do módulo secante obtidos do ensaio de tração direta, para o betume original não modificado, betume envelhecido não modificado, betume modificado com nanoargila A e betume
modificado com nanoargila B (adaptado de You et al., 2010)
A caracterização da rigidez do betume foi feita com base no ensaio de tração direta, segundo
as especificações da norma AASHTO TP3 (2000), donde se extraiu o módulo secante. Da análise da
Figura 2.16, é possível denotar que a incorporação tanto de 2%, como de 4%, de nanoargila A
provocou um aumento significativo da rigidez do betume (original e envelhecido). A nanoargila B
também aumentou o módulo secante, apresentando resultados semelhantes tanto para a
incorporação de 2% como de 4%. Deste modo, a incorporação de ambas as nanoargilas no betume
proporciona um comportamento mais rígido.
Como já se mencionou nas conclusões do Estudo I, a explicação para estes resultados tem
mais uma vez que ver com o facto das nanoargilas estabelecerem ligações químicas bastante fortes
com o betume, endurecendo-o (You et al., 2010). Importa explicar que a variação expressa no gráfico
(pelas barras) diz respeito à dispersão dos resultados em relação à média, sendo notável que essa
variação é maior para as misturas com nanomaterial. Segundo You et al. (2010), tal facto justifica-se
pelo modo como a mistura entre a nanoargila e o betume é feita, sugerindo que é necessário
melhorar a maneira como se distribui a nanoargila pelo ligante.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
32 Leonor Burguete
Capítulo 3 - Descrição dos Trabalhos Experimentais
Leonor Burguete 33
3. Descrição dos Trabalhos Experimentais
3.1 Enquadramento
A presente dissertação pretende comparar o comportamento entre misturas betuminosas
convencionais e misturas betuminosas com incorporação de nanomateriais. Importa referir que o
presente tema encontra-se ainda numa fase bastante inicial, pelo que a ideia central deste trabalho é
desbravar terreno quanto à aplicação da nanotecnologia nas misturas betuminosas destinadas à
camada de desgaste dos pavimentos.
Na Figura 3.1 mostra-se o fluxograma explicativo do trabalho experimental realizado, baseado
na metodologia Marshall, de acordo com a norma EN 12697-34 (CEN, 2004b), para a formulação de
misturas betuminosas, e onde se apresentam as grandezas que acabaram por se comparar quanto
aos diferentes tipos de misturas betuminosas. É possível inferir que o conjunto de ensaios seguiu
apenas a parte inicial da metodologia de Marshall, não sendo o objetivo final a determinação da
percentagem ótima de betume, mas sim a realização de uma análise comparativa entre misturas
betuminosas com percentagens de betume previamente definidas. Deste modo, neste capítulo serão
apresentados e descritos os ensaios laboratoriais executados.
Figura 3.1 - Metodologia de Marshall realizada na dissertação em causa (adaptado de Picado-Santos, 2010)
Antes de se prosseguir à análise das misturas, importa definir qual o tipo de mistura em
causa. A mistura estudada é designada por AC14 surf 35/50, sendo constituída por agregados de
origem basáltica. Com base nesta mistura convencional, foram produzidos mais 3 tipos de misturas,
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
34 Leonor Burguete
com a variante da incorporação de 3 nanomateriais diferentes, sendo estes a montmorilonite, o PCC,
e a sílica. Por motivos práticos, as quatro misturas betuminosas fabricadas a quente serão, daqui em
diante, designadas de acordo com as denominações adotadas no Quadro 3.1.
Quadro 3.1 - Denominações das misturas betuminosas estudadas
Nanomaterial Incorporado Tipo de Mistura Denominação
- AC14 Surf 35/50 MBQ
Montmorilonite AC14 Surf 35/50 MM
PCC AC14 Surf 35/50 MP
Sílica AC14 Surf 35/50 MS
Dos nanomateriais escolhidos, a nanoargila (montmorilonite) é o nanomaterial mais
conhecido no mundo da nanotecnologia aplicada à pavimentação, encontrando-se os restantes dois
(PCC e sílica) ainda numa fase de estudos bastante preliminar. Visa-se, com isto, encontrar e testar
outras possíveis soluções para o melhor desempenho da camada de desgaste, bem como avaliar a
viabilidade económica dessas soluções.
3.2 Composição das Misturas Betuminosas Analisadas
3.2.1 Agregados e Ligante
No que diz respeito aos agregados das misturas, é constituída por quatro frações de
agregados basálticos, que se diferenciam em basalto 10/16, basalto 4/10, pó basalto 0/6, e filer
comercial. Estes foram produzidos pela empresa José Marques Gomes Galo, S.A., situada em
Sesimbra, que também forneceu o estudo granulométrico (Quadro 3.2 e Figura 3.2) para um AC14.
A escolha das frações deve garantir uma granulometria contínua e extensa, com agregados
finos e grossos, que perfaçam uma curva granulométrica que respeite os limites previamente
definidos na norma NP EN 13108-1 (IPQ, 2011), ajustando-se tão bem quanto possível ao fuso
definido pela mesma. No Quadro 3.2 mostra-se o fuso granulométrico da mistura eleita para estudo,
onde se indicam igualmente as percentagens finais de cada agregado, estando o enquadramento da
respetiva curva granulométrica na Figura 3.2.
Importa referir que as granulometrias dos agregados têm de ser definidas de acordo com a
norma NP EN 933-1 (IPQ, 2000).
Quadro 3.2 - Curva granulométrica de estudo adequada ao fuso granulométrico da NP EN 13108-1:2011
Quanto ao ligante betuminoso, e de acordo com as características exigidas nas normas EN
12591 (CEN, 2009) e EN 13924 (CEN, 2006), utilizou-se um betume de pavimentação 35/50, tendo
sido fornecido pela Repsol.
31,5 20 16 10 4 2 0,5 0,125 0,063
min 100,0 100,0 90,0 67,0 40,0 25,0 11,0 6,0 5,0
max 100,0 100,0 100,0 77,0 52,0 40,0 19,0 11,0 8,0
Basalto 10/16 12 100,0 100,0 93,3 16,5 1,9 1,0 0,8 0,6 0,3
Basalto 4/10 50 100,0 100,0 89,8 50,3 12,9 7,2 1,1 0,3 0,1
Pó Basalto 31 100,0 100,0 100,0 100,0 95,2 52,2 13,3 4,1 1,9
Filer 7 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 95,0 85,0 70,0
Curva Final 100 100,0 100,0 94,1 65,1 43,2 26,9 11,4 7,4 5,6
Abertura das malhas
Caderno
Encargos
Capítulo 3 - Descrição dos Trabalhos Experimentais
Leonor Burguete 35
Na dissertação em causa, foram estudadas duas percentagens de betume previamente
definidas - 5,5 e 6,5. A primeira escolha prende-se com o facto de ser uma percentagem ótima de
ligante bastante usada na formulação de misturas betuminosas destinadas à camada de desgaste. A
segunda percentagem tem que ver com a superfície específica dos nanomateriais, que por ser
elevada pode necessitar de maior quantidade de betume para os envolver.
Figura 3.2 - Curva granulométrica resultante do enquadramento no fuso da NP EN 13108-1:2011
3.2.2 Nanomateriais
Nas misturas betuminosas incorporando nanomateriais, os nanomateriais utilizados foram: a
montmorilonite, fornecida em forma de pó pela empresa Sigma-Aldrich, o PCC aquoso fornecido pela
empresa Omya, e a sílica em forma de pó fornecida por uma empresa que pediu reserva de
identificação. A percentagem de cada nanomaterial incorporado na MBQ variou de 2%, 4% e 6% do
peso do ligante. Estas percentagens foram definidas com base em estudos realizados anteriormente,
bem como em valores assumidos.
O PCC em pó foi produzido no Laboratório de Química do Instituto Superior Técnico (IST),
sendo que a sua origem advém do PCC aquoso. A produção do PCC em pó foi simples, tratando-se
apenas de um processo de evaporação. Em primeiro lugar, a suspensão foi colocada dentro de um
balão volumétrico, como se mostra na Figura 3.3.
Figura 3.3 - Colocação do PCC aquoso, existente no recipiente branco, dentro do balão volumétrico
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
36 Leonor Burguete
De seguida, esse balão volumétrico foi colocado no evaporador, que, como o próprio nome
indica, procedeu à evaporação da suspensão de PCC. O evaporador, mostrado na Figura 3.4,
também conhecido como rotavapor, ao aquecer o balão dá início à evaporação da parte líquida da
suspensão. O líquido evaporado foi direcionado para um recipiente próprio, podendo ser reutilizado.
No final, o resultado deste processo foi um sucesso, obtendo-se o pó de PCC, totalmente
seco, tal como se pode confirmar na Figura 3.5.
Figura 3.4 - Equipamento rotavapor, durante o processo de evaporação do PCC aquoso
Figura 3.5 - PCC em pó agarrado às paredes do balão, resultante da evaporação do PCC aquoso
A evaporação ainda se revelou um processo simples mas moroso, uma vez que o teor de
sólidos era de cerca de apenas 19%, o que significa que foi necessário evaporar uma grande
quantidade de líquido. Importa referir que o balão tem de ter tamanho adequado, de maneira a caber
no recipiente de água quente, bem como não pode estar muito cheio, pois em caso de contínua
fervura, pode rebentar, perdendo-se, então, a suspensão em causa.
3.3 Análise de Acordo com a Metodologia Marshall
3.3.1 Fabrico das Misturas Betuminosas e dos Respetivos Provetes
Após a decisão sobre a composição da mistura, procedeu-se então ao fabrico dos provetes,
tendo como base a norma EN 12697-35 (CEN, 2004c). Em primeiro lugar, e para a mistura MBQ, os
Capítulo 3 - Descrição dos Trabalhos Experimentais
Leonor Burguete 37
agregados foram aquecidos na estufa, a uma temperatura aproximada de 180ºC, tal como é ilustrado
na Figura 3.6. Ao mesmo tempo que os agregados secavam, o betume atingia, numa outra estufa,
uma temperatura entre 120 e 140ºC, ideal para permitir adequada trabalhabilidade para se
concretizar a mistura com os agregados. Para além do betume, aqueceram-se os moldes dos
provetes na mesma estufa, tal como demonstrado na Figura 3.7, de maneira a que a temperatura de
compactação da mistura não fosse prejudicada.
Figura 3.6 - Aquecimento dos agregados na estufa à temperatura de 180ºC
Figura 3.7 - Aquecimento do betume e dos moldes dos provetes na estufa à temperatura de 130ºC
No caso das misturas MM, MP, e MS, o procedimento foi ligeiramente diferente. Para além
dos agregados e do ligante, importava ainda medir à parte a percentagem de nanomaterial já
definida, a ser adicionada ao ligante. Essa medição foi feita numa balança dotada de muitas casas
decimais, uma vez que as quantidades de nanomaterial são bastantes pequenas, exigindo-se o
máximo de rigor na determinação do seu peso.
Após este passo, e tomando os cuidados necessários relativamente ao manuseamento do
nanomaterial, adicionou-se a quantidade correta deste ao betume, num recipiente próprio que
permitisse o adequado envolvimento do nanomaterial pelo betume. Na Figura 3.8 apresenta-se um
exemplo de que como foi realizada essa mistura, devendo a mesma ficar uniforme, assegurando a
eliminação de todos os possíveis grãos existentes, ou simplesmente de ar.
Figura 3.8 - Mistura do betume com o nanomaterial
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
38 Leonor Burguete
É de notar que aquando da mistura do betume com o nanomaterial foram originadas algumas
bolhas. As causas associadas a este fenómeno poderão estar relacionadas ou com possíveis
reações químicas entre ambos os materiais, ou devido à possível entrada do ar durante a mistura
manual do nanomaterial com o betume.
A mistura do nanomaterial com o betume foi realizada imediatamente antes de se misturar o
betume (já com o respetivo nanomaterial) com os agregados. Uma vez que o betume deve estar a
uma temperatura entre 120 e 140ºC, no caso do betume com nanomaterial, foi necessário recolocar
algumas vezes na estufa o recipiente onde estes foram misturados, de maneira a que a temperatura
se mantivesse sempre dentro do intervalo referido. Deste modo, a mistura do betume com o
nanomaterial revelou-se um processo moroso.
Após as temperaturas serem atingidas, tanto do ligante como dos agregados, procedeu-se à
mistura manual de ambos com a ajuda de uma batedeira, tal como apresentado na Figura 3.9.
Figura 3.9 - Fabrico da mistura sobre placa elétrica com ajuda de uma batedeira
A utilização da batedeira teve que ver com a garantia da homogeneidade da mistura, durante
o tempo suficiente para que os agregados ficassem totalmente envolvidos pelo betume. Todos os
materiais foram misturados num recipiente de alumínio, apoiado numa placa elétrica, de maneira a
que a temperatura permanecesse constante, não afetando a trabalhabilidade da mistura.
De seguida, a mistura foi colocada num provete cilíndrico, em ordem à sua compactação.
Esta foi realizada segundo o especificado na norma EN 12697-30 (CEN, 2004a).
A compactação foi realizada num compactador de impacto, com 75 pancadas em cada face
do provete, em condições normalizadas, sendo a temperatura de compactação de cerca de 150ºC. As
pancadas resultam da queda livre de um pilão, como se pode verificar na Figura 3.10. O aspeto final
de alguns dos provetes produzidos pode ser observado na Figura 3.11.
Após a compactação de cada provete, este ficou sujeito à temperatura ambiente,
permanecendo ainda dentro do molde, durante o tempo necessário até atingi-la, tal como definido na
norma EN 12697-30 (CEN, 2004a).
Capítulo 3 - Descrição dos Trabalhos Experimentais
Leonor Burguete 39
Figura 3.10 - Compactador de impacto e respetivo pilão
Figura 3.11 - Aspeto final dos provetes após compactação
O processo de fabrico dos provetes, bem como os ensaios Marshall que se seguiram, foram
repetidos diversas vezes, tendo sido realizados 3 provetes para cada tipo de mistura. Deste modo, e
tendo em conta os quatro tipos de misturas betuminosas (MBQ, MM, MP, e MS), foram realizados no
total 60 provetes, variando a percentagem de ligante (5,5 e 6,5) e de nanomaterial (2, 4, e 6). Na
Figura 3.12, Figura 3.13, Figura 3.14 e na Figura 3.15 evidenciam-se os provetes produzidos para
cada mistura betuminosa. Entenda-se que o estudo sugere a realização de apenas 3 provetes para
cada mistura por ser suficientemente representativo do comportamento da mistura, e necessário para
fazer-se uma análise comparativa.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
40 Leonor Burguete
Figura 3.12 - Quantidade de provetes produzidos para a mistura MBQ
Figura 3.13 - Quantidade de provetes produzidos para a mistura MM
Figura 3.14 - Quantidade de provetes produzidos para a mistura MP
Figura 3.15 - Quantidade de provetes produzidos para a mistura MS
Capítulo 3 - Descrição dos Trabalhos Experimentais
Leonor Burguete 41
Em conformidade com a norma EN 12697-34 (CEN, 2004b), os provetes compactados devem
arrefecer à temperatura ambiente, de maneira a evitar qualquer risco de deformação. Atingida a
temperatura ambiente, retiraram-se os provetes dos moldes através da utilização do equipamento
apresentado na Figura 3.16, resultando o aspeto visual apresentado na Figura 3.17.
Figura 3.16 - Desmoldagem de um provete
Figura 3.17 - Provete já desmoldado
Seguiu-se, então, a medição da altura de cada provete, dada pelo valor (h), e comparou-se
com os valores estipulados na norma EN 12697-34 (CEN, 2004b). Tipicamente, perante esta
necessidade de verificar a altura do provete e avaliar a conformidade com os valores exigidos,
produziu-se um primeiro provete de teste, em ordem ao acerto da quantidade de material correta em
cada provete.
Seguidamente à desmoldagem de cada provete, foi necessário esperar pelo menos 4 h, até
que os restantes ensaios de Marshall pudessem dar início. Segundo a norma EN 12697-34 (CEN,
2004b), todos os ensaios que se seguem têm de ser realizados obrigatoriamente num período entre 4
e 32 h após a desmoldagem dos provetes.
3.3.2 Baridade Aparente
Fabricados os provetes, seguiu-se a determinação da baridade aparente, que acarreta um
conjunto de passos definidos pelo procedimento B da norma EN 12697-6 (CEN, 2003a).
O primeiro passo foi determinar qual a massa do provete seco, denominada (m1), assim como
a densidade da água (ρw). De seguida, emergiu-se o provete em água, durante 30 min, até que o
mesmo se encontrasse totalmente saturado, tal como demonstrado na Figura 3.18, registando-se
também a temperatura da água. Ao fim desse período de tempo, e tomado o cuidado de não haver
bolhas de ar à superfície do provete, mediu-se a massa do provete imerso, referente a (m2), como é
possível verificar na Figura 3.19. Retirou-se o provete da água, secando-o totalmente, permitindo
assim que a massa do provete saturado com superfície seca fosse determinada, correspondendo a
(m3). Por forma a calcular a baridade aparente, aplicou-se a equação (3.1):
( ) (3.1)
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
42 Leonor Burguete
sendo que:
ρbssd é a baridade do provete saturado com superfície seca, em kg/m3;
m1 é a massa do provete seco, em g;
m2 é a massa do provete imerso, em g;
m3 é a massa do provete saturado com superfície seca, em g;
ρw é a massa volúmica da água à temperatura de ensaio, em kg/m3.
Figura 3.18 - Provetes imersos
Figura 3.19 - Medição da massa do provete imerso
Para obter resultados mais precisos, foi necessário ter em conta a variação da densidade da
água dependendo da temperatura, pelo que ρw deve ser corrigido por um fator de correção indicado
na EN 12697-6 (CEN, 2003a).
3.3.3 Ensaio de Compressão Marshall
O ensaio de compressão Marshall está associado à norma EN 12697-34 (CEN, 2004b), tendo
como objetivo a determinação da força de rotura e da deformação na rotura de um provete.
Em primeiro lugar, aqueceram-se os provetes e o estabilómetro em banho termostático, como
se pode observar na Figura 3.20, sendo que água deve estar à temperatura de (60 ± 1) ºC.
Figura 3.20 - Banho termoestático
Capítulo 3 - Descrição dos Trabalhos Experimentais
Leonor Burguete 43
Este ensaio de compressão Marshall requer atenção especial quanto à duração do banho
termostático, sendo no mínimo 40 min, e não mais de 60 min. Após os 40 min, retirou-se o
estabilómetro e o primeiro provete a ter sido colocado em banho termoestático, secando as
respetivas superfícies, e colocando-os, de seguida, no equipamento destinado aos ensaios de
compressão Marshall, tal como apresentado na Figura 3.21.
Sujeitou-se o provete a uma carga contínua aplicada à velocidade de (50 ± 2) mm/min, até
que o mesmo atingisse a rotura. Com isto, foram registados os valores da força de rotura, bem como
os da deformação, tendo em atenção a necessidade de corrigir as leituras efetuadas no equipamento,
tal como definido na norma EN 12697-34 (CEN, 2004b). Um exemplo do ensaio de compressão, e
respetiva curva força-deformação, encontra-se demonstrado na Figura 3.22.
a)
b)
Figura 3.21 - Ensaio de compressão Marshall: a) Equipamento de ensaio; b) Provete em carga
Figura 3.22 - Curva força de rotura-deformação obtida do ensaio de compressão Marshall
Após a realização do ensaio de compressão, o provete ficou visivelmente deformado, tal
como exemplificado na Figura 3.23.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
44 Leonor Burguete
Figura 3.23 - Aspeto visual de um provete após ensaio de compressão
3.3.4 Baridade Máxima Teórica
A determinação da baridade máxima teórica segue a metodologia do método A da norma EN
12697-5 (CEN, 2002).
Em primeiro lugar, escolheram-se dois provetes, sendo o critério de escolha referente à
média das respetivas baridades aparentes que mais se aproximava da baridade aparente da mistura.
Em seguida, procedeu-se à desagregação dos mesmos, tal como se demonstra na Figura 3.24, antes
de serem colocados no interior do picnómetro. A desagregação dos provetes deve ser total, ou tanto
quanto possível, de maneira a que o cálculo da baridade máxima teórica seja o mais rigoroso
possível.
Figura 3.24 - Amostra desagregada antes de ser colocada no picnómetro
O presente ensaio experimental teve a seguinte metodologia: antes de se colocar a mistura
desagregada no picnómetro, foi necessário pesá-lo, correspondendo o seu peso a (M1).
Seguidamente, a amostra foi inserida dentro do picnómetro, pesando-se, então, o conjunto
picnómetro mais amostra, correspondendo este valor a (M2). Antes de encher o picnómetro com
água, anotou-se o seu volume, denominando-se este de (Vp). Procedeu-se ao enchimento do
picnómetro com água, numa primeira fase até um limite pré-definido de cerca de 50 mm abaixo da
junta superior. Utilizou-se uma bomba de vácuo, de maneira a vibrar o picnómetro de tempos a
Capítulo 3 - Descrição dos Trabalhos Experimentais
Leonor Burguete 45
tempos para que as bolhas de água se libertassem. Numa segunda fase, depois de eliminada
determinada porção de ar, encheu-se com água o volume que restava, e novamente com a ajuda da
bomba de vácuo procurou-se extrair totalmente o ar residual existente, durante um período
aproximado de 30 min. Concluída a total extração de ar, pesou-se a massa do picnómetro,
correspondendo esta a (M3). Este procedimento encontra-se mostrado na Figura 3.25, demonstrando-
se um picnómetro sujeito à ação de uma bomba de vácuo.
Figura 3.25 - Picnómetro ligado a uma bomba de vácuo
Após o registo de todas as grandezas evidenciadas, mediu-se, por fim, a temperatura de
ensaio da água. É de referir que esta última é bastante importante, uma vez que influencia a massa
volúmica da água. Este facto implica que haja um fator de correção aplicado a (ρw), tal como se define
na norma EN 12697-5 (CEN, 2002). Reunidas todas as grandezas necessárias para determinar a
baridade máxima teórica (ρmv), aplicou-se, então, a expressão (3.2):
( ) (3.2)
onde:
ρmv é a baridade máxima teórica da mistura betuminosa, em kg/m3;
M1 é a massa do picnómetro e acessórios, em g;
M2 é a massa do picnómetro, acessórios, e amostra, em g;
M3 é a massa do picnómetro, acessórios, amostra, e água, em g;
Vp é o volume do picnómetro, em m3;
ρw é a massa volúmica da água à temperatura de ensaio, em kg/m3.
De seguida, e com base no valor da baridade máxima teórica, determinou-se a porosidade,
de acordo com a norma EN 12697-8 (CEN, 2003b), utilizando-se a expressão referida em (3.3):
( ) (3.3)
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
46 Leonor Burguete
onde:
Vm é o conteúdo de vazios do provete, em %;
ρmv é a baridade máxima teórica da mistura, em kg/m3;
ρbssd é a baridade do provete saturado com superfície seca, em kg/m3.
A informação (v/v) diz respeito à divisão de uma resultante de baridade por outra, ou seja, de
um volume por outro volume, sendo o Vm referido em percentagem.
Com base na porosidade, calculou-se o volume de vazios no agregado (VMA), de acordo com
a expressão (3.4) a seguir indicada. Tal como a porosidade, o VMA também foi calculado com base
no especificado na norma EN 12697-8 (CEN, 2003b).
( ) (3.4)
sendo que:
VMA é o volume de vazios no agregado, em %;
Vm é o conteúdo de vazios do provete, em %;
B é o conteúdo de ligante do provete, em %;
ρbssd é a baridade do provete saturado com superfície seca, em kg/m3;
ρB é a baridade do betume, em kg/m3.
Realizados os ensaios Marshall, importa denotar que todos os procedimentos referidos foram
repetidos para os 60 provetes, seguindo sempre os mesmos métodos.
De acordo com a metodologia Marshall, o ensaio que seria realizado em seguida seria a
determinação da percentagem ótima de betume. Contudo, este passo não se aplica neste caso, pois
o objetivo fulcral é a comparação dos resultados obtidos dos ensaios anteriores, segundo duas
percentagens de betume, 5,5 e 6,5, previamente escolhidas.
Em complemento, foram realizados dois ensaios, tendo em vista a avaliação e comparação
das características individuais do betume utilizado nos diferentes tipos de misturas betuminosas. Os
dois ensaios de caracterização do ligante foram: a penetração e a temperatura do ponto de
amolecimento (método do anel e bola). Estes ensaios permitem verificar a variação ocorrida na
viscosidade do betume, embora de forma indireta.
3.4 Variação Verificada nas Características de Viscosidade do Betume
3.4.1 Considerações Gerais
Aquando da mistura do betume com o nanomaterial, ou mesmo na mistura MBQ, foram
recolhidas separadamente amostras laboratoriais. Na Figura 3.26 mostram-se alguns exemplos das
mesmas. Estas destinaram-se ao ensaio de penetração e ao ensaio da temperatura do ponto de
amolecimento, dependendo apenas da percentagem de nanomaterial, e não da percentagem de
ligante. Com isto, foram recolhidas no total 20 amostras laboratoriais, sendo metade destas destinada
para cada ensaio.
Em todas as amostras exigiu-se homogeneidade, assegurando igualmente a não
contaminação das mesmas.
Capítulo 3 - Descrição dos Trabalhos Experimentais
Leonor Burguete 47
Figura 3.26 - Aspeto das amostras laboratoriais recolhidas para o ensaio de penetração e da temperatura do ponto de amolecimento
3.4.2 Ensaio de Penetração
O presente ensaio foi feito segundo as orientações definidas na norma NP EN 1426 (IPQ,
2003a), e tem como principal objetivo determinar a consistência do betume, ou seja, a sua
viscosidade de forma indireta.
O ensaio utiliza o equipamento apresentado na Figura 3.27, sendo este composto pelo fixador
da agulha e pelo penetrómetro. A penetração é tipicamente realizada à temperatura de (25 ± 0,1) ºC.
Uma vez esta estabilizada, colocou-se a agulha na posição exata, isto é, na posição onde a sua
ponta faz contacto com a sua imagem refletida na superfície da amostra. Tal como se exemplifica na
Figura 3.28, e com a agulha inicialmente posicionada corretamente, libertou-se o fixador da mesma,
durante apenas 5 segundos. Estando a agulha sob um peso de 100 gf, registou-se em décimos de
milímetro a respetiva profundidade penetrada no betume.
Figura 3.27 - Equipamento utilizado no ensaio de penetração
Figura 3.28 - Ensaio de penetração com agulha (Branco et al., 2005)
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
48 Leonor Burguete
Neste ensaio, foram feitas três medições em três pontos diferentes da superfície da amostra,
como se demonstra na Figura 3.29, sendo o valor final a média desses valores arredondada à
unidade.
Figura 3.29 - Medições realizadas no ensaio de penetração
3.4.3 Ensaio da Temperatura do Ponto de Amolecimento - Método do Anel e Bola
Para a execução do ensaio foram seguidas todas as exigências preconizadas na norma NP
EN 1427 (IPQ, 2003b).
Em primeiro lugar, prepararam-se os anéis de latão, tal como se observa na Figura 3.30, nos
quais colocou-se determinada quantidade de betume aquecido, deixando-os arrefecer à temperatura
ambiente num período de 30 min. Uma vez atingida a temperatura ambiente, retirou-se o excedente
de betume com o intuito de nivelar a amostra pelo rebordo superior do anel. Este procedimento
encontra-se ilustrado na Figura 3.31.
Figura 3.30 - Preparação dos anéis de latão
Figura 3.31 - Nivelamento da amostra
Aquando da preparação dos anéis, preparou-se a água do banho, apontando o termómetro a
temperatura inicial de (5 ± 1) ºC. Após a montagem do equipamento com os anéis de betume, e
encontrando-se a temperatura estabilizada nos 5ºC, colocaram-se ambas as bolas de aço nos
respetivos dispositivos de centragem, dando início ao aquecimento do líquido do banho. Este
aquecimento foi feito a uma velocidade uniforme de 5ºC/min, devendo ser regular ao longo de todo o
ensaio. Durante este aquecimento, o betume foi amolecendo e, consequentemente, escoando do
Capítulo 3 - Descrição dos Trabalhos Experimentais
Leonor Burguete 49
provete através do anel, até atingir a placa inferior. Na Figura 3.32 demonstra-se uma sequência das
várias posições do betume, desde o momento inicial até ao momento final em que toca na placa
inferior.
Figura 3.32 - Comportamento do betume durante a realização do ensaio da temperatura do ponto de amolecimento
O ensaio finalizou no preciso momento em que o betume atingiu a placa inferior, tendo-se
registado a respetiva temperatura da água indicada pelo termómetro. Segundo a norma NP EN 1427
(IPQ, 2003b), quando a temperatura registada é inferior a 80ºC, como é o caso, resulta que o
arredondamento da mesma é feito a 0,2ºC. Uma vez que foram testados conjuntamente dois
provetes, a temperatura do ponto de amolecimento final foi obtida fazendo a média das temperaturas
registadas em cada um dos provetes.
A campanha experimental encontra-se, desta forma, terminada, tendo sido reunidas todas as
grandezas que permitirão no capítulo seguinte, referente à apresentação e análise dos resultados,
proceder à análise conducente às inferências que serão apontadas.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
50 Leonor Burguete
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 51
4. Apresentação e Análise dos Resultados
4.1 Considerações Iniciais
Neste capítulo serão descritos e analisados os resultados obtidos para as grandezas
Marshall, bem como para os ensaios de avaliação da modificação do betume (penetração e
temperatura do ponto de amolecimento), tendo em vista inferir o tipo de modificação de
comportamento induzido pelo uso dos nanomateriais descritos.
4.2 Análise Crítica do Estudo de Marshall
4.2.1 Resultados da Baridade Aparente
Os resultados obtidos para a baridade aparente relativa às misturas com 5,5% de ligante
podem ser observados no Quadro 4.1, estando os mesmos representados graficamente na Figura
4.1. Os valores apresentados correspondem à média obtida para cada mistura, ao respetivo
coeficiente de variação (cv) e à variação percentual relativamente à mistura de referência (Δ).
Quadro 4.1 - Baridade aparente das misturas betuminosas com 5,5% de betume
Mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Baridade aparente (kg/m
3)
cv Δ (5,5% betume)
MBQ 0 2547 1,50% -
MM
2 2558 0,80% +0,40%
4 2546 1,10% 0,00%
6 2541 1,10% -0,20%
MP
2 2530 0,70% -0,60%
4 2520 1,00% -1,00%
6 2543 0,50% -0,10%
MS
2 2540 0,50% -0,30%
4 2566 0,70% +0,70%
6 2567 1,20% +0,80%
Tendo em conta os resultados apresentados no Quadro 4.1 e na Figura 4.1, é possível
denotar-se que a baridade aparente obtida para a mistura convencional MBQ é bastante semelhante
à baridade aparente obtida para cada mistura com incorporação de nanomateriais, correspondendo a
variações percentuais de valores iguais ou inferiores a 1%, sendo que a maior parte das misturas
com nanomateriais apresentaram valores inferiores a MBQ. Na realidade deve dizer-se que o efeito
na baridade aparente da introdução de qualquer percentagem de qualquer nanomaterial é
desprezável para uma percentagem de betume alvo de 5,5.
Os resultados obtidos para a baridade aparente relativa às misturas com 6,5% de ligante
podem ser observados no Quadro 4.2, estando os mesmos representados graficamente na Figura
4.2. Os valores apresentados correspondem à média obtida para cada mistura, ao respetivo
coeficiente de variação (cv) e à variação percentual relativamente à mistura de referência (Δ).
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
52 Leonor Burguete
Figura 4.1 - Variação da baridade aparente para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Quadro 4.2 - Baridade aparente das misturas betuminosas com 6,5% de betume
Mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Baridade aparente (kg/m
3)
cv Δ (6,5% betume)
MBQ 0 2554 0,70% -
MM
2 2523 0,50% -1,20%
4 2554 0,50% 0,00%
6 2515 0,30% -1,50%
MP
2 2568 0,60% +0,60%
4 2589 0,50% +1,40%
6 2556 1,60% +0,10%
MS
2 2541 1,00% -0,50%
4 2574 0,20% +0,80%
6 2556 0,40% +0,10%
Figura 4.2 - Variação da baridade aparente para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 53
Também nesta situação (misturas com 6,5% de betume) as variações são desprezáveis
(inferiores a 2%) pelo que se pode inferir o mesmo que para a percentagem de 5,5 de betume. A
diferença para a situação de 6,5% de betume é que os valores de baridade aparente são geralmente
superiores aos da MBQ.
Pode concluir-se que a adição deste tipo de nanomateriais no betume não influi a baridade
aparente das misturas betuminosas já que as variações encontradas são desprezáveis e
possivelmente devidas a uma certa variação nas condições de fabrico, apesar do controlo estreito
efetuado.
Os valores individuais da baridade aparente obtidos para cada mistura betuminosa (5,5% e
6,5% de betume) podem ser consultados no Anexo C.
4.2.2 Resultados do Ensaio de Compressão de Marshall
O ensaio compreende a determinação da força de rotura do provete, bem como da respetiva
deformação na rotura. Em primeiro lugar serão analisados os resultados da força de rotura, em
segundo os referentes à deformação, e depois será feita uma análise em conjunto, que se traduz no
cociente Marshall.
Os resultados obtidos para a força de rotura relativa às misturas com 5,5% de ligante podem
ser observados no Quadro 4.3, estando os mesmos representados graficamente na Figura 4.3. Os
valores apresentados correspondem à média obtida para cada mistura, ao respetivo coeficiente de
variação (cv) e à variação percentual relativamente à mistura de referência (Δ).
Quadro 4.3 - Força de rotura das misturas betuminosas com 5,5% de betume
Mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Força de rotura (kN) cv Δ (5,5% betume)
MBQ 0 8,9 13,50% -
MM
2 8,3 9,30% -7,30%
4 8,7 11,60% -2,40%
6 8,6 10,60% -4,00%
MP
2 8,6 6,90% -4,10%
4 9,2 11,80% +2,70%
6 8,5 8,20% -4,70%
MS
2 8,1 10,00% -8,90%
4 8,7 8,50% -1,90%
6 8,6 7,10% -3,50%
No Quadro 4.3 e na Figura 4.3 é possível observar que para a generalidade das misturas, as
forças de rotura diminuíram em comparação com a mistura de referência MBQ, com uma redução
que é sempre inferior a 5% com a exceção de 2 casos: 2% de montmorilonite (mistura MM) e 2% de
sílica (mistura MS).
Pode denotar-se que a incorporação de 4% de nanomaterial é a que conduz a resultados
semelhantes aos da MBQ. Já os resultados mais distantes dizem respeito à adição de 2% de
nanomaterial. Deve ainda assinalar-se que, em qualquer dos casos, a variação é pequena para os
níveis de força de rotura assinalados.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
54 Leonor Burguete
Os resultados obtidos para a força de rotura para as misturas com 6,5% de ligante estão
apresentados no Quadro 4.4, estando os mesmos representados graficamente na Figura 4.4,
correspondendo os valores apresentados à média obtida para cada mistura, ao coeficiente de
variação (cv) e à sua variação percentual relativamente à mistura de referência (Δ).
Figura 4.3 - Variação da força de rotura para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Quadro 4.4 - Força de rotura das misturas betuminosas com 6,5% de betume
Mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Força de rotura (kN) cv Δ (6,5% betume)
MBQ 0 8,1 9,20% -
MM
2 7,8 7,70% -3,50%
4 8,0 7,70% -1,00%
6 7,8 6,30% -3,70%
MP
2 8,2 9,60% +1,10%
4 10,2 5,30% +25,90%
6 7,9 18,00% -2,80%
MS
2 8,5 6,40% +4,80%
4 9,6 6,60% +18,20%
6 8,7 4,30% +7,40%
Observando o Quadro 4.4 e respetiva Figura 4.4, é possível notar que, excluindo as misturas
com montmorilonite, as misturas betuminosas com nanomateriais apresentam uma força de rotura
com valores superiores (significativamente nalguns casos, havendo um valor inferior mas para uma
dispersão elevada, ou seja, pode haver problemas de representatividade com a média) aos da
mistura convencional. A mistura MS teve os melhores resultados em média das diferentes
percentagens de incorporação, embora a MP tenha apresentado o melhor desempenho de todos para
a incorporação de 4% de PCC. Assinale-se que em qualquer caso a incorporação de 4% de
nanomaterial resulta melhor.
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 55
O comportamento das misturas com 5,5% e com 6,5% de ligante revelou-se diferente,
confirmando que a quantidade de ligante influi significativamente o desempenho das misturas
betuminosas. Aliás, a uma maior percentagem de betume correspondeu uma maior força de rotura
(para MP e MS) para o mesmo esqueleto de agregado quando se adicionou 4% de nanomaterial, o
que mostra que este teve um efeito muito positivo já que seria de esperar o contrário. Seria
expectável que o aumento da quantidade de betume provocasse um aumento da plasticidade da
mistura betuminosa, o que se traduziria em menores forças de rotura. Naturalmente terá de ver-se o
que se passou com a deformação.
Os valores individuais da força de rotura obtidos para cada mistura betuminosa (5,5% e 6,5%
de betume) podem ser consultados no Anexo D.
Figura 4.4 - Variação da força de rotura para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
No que diz respeito à deformação, interessa referir que foi feita a correção no cálculo desta,
de acordo com a norma EN 12697-34 (CEN, 2004b).
Os resultados obtidos para a deformação referente às misturas com 5,5% de ligante estão
apresentados no Quadro 4.5, estando o gráfico comparativo dos mesmos representado na Figura 4.5.
Os valores apresentados correspondem à média obtida para cada mistura, ao respetivo coeficiente
de variação (cv) e à variação percentual relativamente à mistura de referência (Δ).
Fazendo uma análise do Quadro 4.5 e da Figura 4.5, é possível afirmar que as deformações
das misturas betuminosas incorporadas com nanomateriais correspondem, no geral, a valores de
deformação inferiores ao valor referente à mistura convencional. Evidencia-se a exceção da mistura
MM para 4% de incorporação, onde se verifica que o pico da deformação é relativamente elevado (o
que pode ter correspondido a um pior provete deste ponto de vista) quando comparado com a
deformação da MBQ. Pode dizer-se que para 5,5 de percentagem de betume o efeito da adição de
qualquer nanomaterial é muito relevante, sendo que o valor total da deformação é pelo menos inferior
em cerca de 9% ao da MBQ. Enquanto que nos casos de MM e MP as variações desta inferência
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
56 Leonor Burguete
com a quantidade de nanomaterial são pequenas (mais uma vez tirando o caso de 4% para MM), no
caso de MS são significativas: aumenta a diferença para MBQ com o aumento da % de incorporação.
Quadro 4.5 - Deformação obtida para as misturas betuminosas com 5,5% de betume
Mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Deformação (mm) cv Δ (5,5% betume)
MBQ 0 6,0 14,90% -
MM
2 4,9 2,30% -18,20%
4 6,4 10,20% +6,20%
6 5,0 10,50% -17,20%
MP
2 5,5 18,30% -8,60%
4 5,5 7,10% -8,50%
6 5,5 9,40% -8,60%
MS
2 5,5 14,50% -8,20%
4 5,3 7,80% -12,00%
6 5,0 8,30% -17,10%
Figura 4.5 - Variação da deformação para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Como no caso da percentagem de 5,5 a variação da força de rotura não foi significativa, os
resultados da deformação informam por si sobre o efeito dos nanomateriais. De qualquer modo como
se tinha assinalado um melhor comportamento (no que à força de rotura diz respeito) para a
incorporação de 4% de nanomaterial, pode dizer-se agora com os resultados da deformação que esta
% também apresenta (para MP e MS) resultados de muito bom nível.
Através da análise da relação força de rotura/deformação (Fr/Def) para uma percentagem de
5,5 de betume, apresentada na Figura 4.6, é então possível confirmar que a mistura MS apresenta
um comportamento tanto melhor quanto maior é a taxa de incorporação de sílica. A mistura MP é
ligeiramente influenciada pela presença dos nanomateriais, revelando um comportamento
semelhante à MBQ, sendo a incorporação de 4% a reveladora de melhores resultados. A mistura MM
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 57
apresenta um comportamento variável, apresentando um melhor comportamento em relação à MBQ
na incorporação de 2% e na de 6%. Contudo, a sua variabilidade não permite assegurar sobre o seu
bom uso. Tal situação pode ser explicada pelo facto das argilas serem difíceis de dispersar, o que
permite inferir que os melhores resultados relativos à mistura MM justificam-se porque foi conseguida
uma melhor dispersão da nanoargila no betume.
Figura 4.6 - Variação de Fr/Def para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Os resultados obtidos para a deformação referente às misturas com 6,5% de ligante estão
apresentados no Quadro 4.6, estando os mesmos representados graficamente na Figura 4.7,
correspondendo os valores apresentados à média obtida para cada mistura, ao coeficiente de
variação (cv) e à sua variação percentual relativamente à mistura de referência (Δ).
Quadro 4.6 - Deformação obtida para as misturas betuminosas com 6,5% de betume
Mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Deformação (mm) cv Δ (6,5% betume)
MBQ 0 6,4 10,80% -
MM
2 5,8 11,90% -9,80%
4 6,2 11,90% -3,30%
6 6,2 7,30% -3,20%
MP
2 7,6 3,30% +19,60%
4 7,0 4,20% +9,30%
6 6,7 6,80% +4,70%
MS
2 5,8 9,10% -9,80%
4 5,5 24,00% -13,80%
6 4,5 2,90% -29,30%
Observando o Quadro 4.6 e a respetiva Figura 4.7, há a assinalar o mau comportamento de
MP, que se caracteriza por ter deformações sempre superiores a MBQ, e o excelente comportamento
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
58 Leonor Burguete
de MS, apresentando uma redução da deformação de aproximadamente 30% para a incorporação de
6% de sílica. A MM apresentou um comportamento positivo, com deformações inferiores às de MBQ.
Pode assim perceber-se duma análise mais abrangente que para uma maior percentagem de
betume o efeito da utilização de nanomateriais é mais significativo. Integrando a força de
rotura/deformação (Fr/Def) e para 6,5 de percentagem de betume, pode afirmar-se que a mistura MS
apresenta resultados significativos para qualquer das percentagens de modificação, não se tratando
só da percentagem de 4. A mistura MP mostrou um bom comportamento para a força de rotura mas
mau à deformação, pelo que não se pode confirmar a bondade da sua utilização. A mistura MM tem
um comportamento que se pode reportar de neutro, uma vez que nada acrescenta de substancial em
relação à MBQ. Ainda para a percentagem de 6,5, e só para uma melhor compreensão da extensão
das inferências feitas apresenta-se na Figura 4.8 a variação do cociente força de rotura/deformação.
Figura 4.7 - Variação da deformação para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Figura 4.8 - Variação de Fr/Def para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 59
Como se pode verificar pela Figura 4.8, e em relação à MBQ, a mistura MS melhora o
comportamento em todas as taxas de incorporação, a mistura MP melhora com algum significado na
taxa 4% mas piora nas outras, e a mistura MM melhora ligeiramente na taxa 2% mas na realidade
parece não ter efeito.
Os valores individuais da deformação na rotura obtidos para cada mistura betuminosa (5,5%
e 6,5% de betume) podem ser consultados no Anexo E.
4.2.3 Resultados da Baridade Máxima Teórica
A baridade máxima teórica traduz o volume da mistura sem vazios. Através da determinação
desta grandeza, é possível saber qual a porosidade correspondente, e qual o volume de vazios no
agregado compactado.
Os resultados da baridade máxima teórica (BMT) encontram-se demonstrados no Quadro
4.7, e representados graficamente na Figura 4.9 e na Figura 4.10. A Figura 4.9 diz respeito aos
provetes realizados com 5,5% de betume, ao passo que a Figura 4.10 tem que ver com os provetes
produzidos com 6,5% de betume.
Quadro 4.7 - Resultados obtidos do ensaio da baridade máxima teórica
% de betume Taxa de incorporação de
nanomaterial (%)
Baridade Máxima Teórica (kg/m3)
MBQ MM MP MS
5,5
0 2689 - - -
2 - 2634 2696 2660
4 - 2642 2690 2639
6 - 2631 2661 2664
6,5
0 2645 - - -
2 - 2600 2637 2650
4 - 2598 2680 2601
6 - 2584 2627 2616
Figura 4.9 - Variação da baridade máxima teórica para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Com base no Quadro 4.7 e Figura 4.9, a generalidade dos valores apresentados da BMT que
se referem às misturas com nanomateriais com 5,5% de betume, são pouco inferiores aos valores
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
60 Leonor Burguete
referentes à BMT da mistura convencional. Verifica-se a exceção da mistura MP com 2% de PCC,
que se caracteriza por uma BMT ligeiramente superior em relação à MBQ, bem como para o caso de
4% de PCC, o qual se manteve constante em relação à MBQ.
Estes resultados eram esperados pois, tal como para a baridade aparente, a introdução de
nanomateriais não poderia alterar com significado o peso específico sem vazios.
No que diz respeito às misturas com 6,5% de betume, é possível verificar na Figura 4.10 que
não houve alteração significativa relativamente a 5,5% de betume, inferindo-se assim o mesmo.
Figura 4.10 - Variação da baridade máxima teórica para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Quanto à porosidade, os resultados obtidos para as misturas com 5,5% de ligante estão
apresentados no Quadro 4.8, estando os mesmos representados graficamente na Figura 4.11,
correspondendo os valores apresentados à média obtida para cada mistura, ao coeficiente de
variação (cv) e à sua variação percentual relativamente à mistura de referência (Δ).
Quadro 4.8 - Porosidade das misturas betuminosas com 5,5% de betume
Mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Porosidade (%) cv Δ (5,5% betume)
MBQ 0 5,3 26,40% -
MM
2 2,9 26,00% -45,30%
4 3,6 31,30% -31,40%
6 3,4 32,10% -35,20%
MP
2 6,1 10,60% +15,70%
4 6,3 14,50% +18,90%
6 4,4 11,40% -17,00%
MS
2 4,5 9,70% -15,10%
4 2,8 24,10% -47,80%
6 3,6 31,90% -31,40%
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 61
Figura 4.11 - Variação da porosidade para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Observando o Quadro 4.8 e a Figura 4.11, denota-se que as misturas MM e MS apresentam
valores de porosidade inferiores a MBQ, na ordem dos 3% e 4%. A mistura MP é a que apresenta as
percentagens mais elevadas de porosidade para as três quantidades de nanomaterial, sendo que a
incorporação de 2% e 4% de PCC resulta em porosidades na ordem dos 6%, equivalente a quase o
dobro da porosidade das restantes misturas betuminosas.
Os resultados obtidos para a porosidade das misturas com 6,5% de ligante estão
apresentados no Quadro 4.9, estando os mesmos representados graficamente na Figura 4.12,
correspondendo os valores apresentados à média obtida para cada mistura, ao coeficiente de
variação (cv) e à sua variação percentual relativamente à mistura de referência (Δ).
Da observação do Quadro 4.9 e da Figura 4.12, é de assinalar os valores reduzidos de
porosidade para a generalidade das misturas produzidas, indicando acentuadas variações
percentuais em relação à mistura convencional. Não obstante, assinala-se uma exceção, relativa à
mistura MS com 2% de sílica, que diz respeito a uma porosidade superior às restantes misturas. Esta
mistura revela-se igualmente exceção no caso de incorporação de 4% de sílica, mas agora
respeitante à porosidade mais baixa, tomando um valor extremamente reduzido, na ordem de apenas
1%, o que não é desejável.
Importa referir que a porosidade das misturas betuminosas com 6,5% de betume baixou
relativamente à MBQ com 5,5%. A razão da redução da porosidade está provavelmente relacionada
com a maior quantidade de ligante, o que implica um maior preenchimento por este dos vazios
existentes. É provável que a utilização de nanomateriais tenha por si só uma influência relativamente
reduzida neste aspeto atribuindo-se a variabilidade verificada a, fundamentalmente, variabilidade
decorrente do processo de fabrico. No entanto, deve assinalar-se que em geral as porosidades são
do mesmo tipo ou mais baixas que a mistura convencional o que poderia traduzir uma pior relação
Fr/Def, a qual de alguma forma traduz a rigidez da mistura. Ora verificou-se que não para a maior
parte das situações. Aliás, MS que tem um melhor comportamento FR/Def com a adição de
0
1
2
3
4
5
6
7
0 2 4 6
Po
rosi
dad
e (
%)
Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
MM
MP
MS
MBQ
Misturas com
5,5% betume
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
62 Leonor Burguete
nanomateriais (tanto melhor quanto maior % de sílica) até apresenta os mais baixos valores de
porosidade, para 4% e 6% de incorporação e para as duas percentagens de betume, o que assinala o
alcance da modificação.
Os valores individuais da porosidade obtidos para cada mistura betuminosa (5,5% e 6,5% de
betume) podem ser consultados no Anexo F.
Quadro 4.9 - Porosidade das misturas betuminosas com 6,5% de betume
Mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Porosidade (%) cv Δ (6,5% betume)
MBQ 0 3,4 18,70% -
MM
2 2,9 15,40% -14,60%
4 1,7 15,40% -50,50%
6 2,7 9,40% -22,30%
MP
2 2,6 23,10% -24,30%
4 3,4 15,60% -1,00%
6 2,7 56,70% -20,40%
MS
2 4,1 23,30% +19,40%
4 1,1 19,50% -68,90%
6 2,3 15,70% -33,00%
Figura 4.12 - Variação da porosidade para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Quanto ao volume de vazios no agregado (VMA), os resultados obtidos encontram-se
registados no Quadro 4.10, e representados graficamente na Figura 4.13 e na Figura 4.14. A Figura
4.13 diz respeito aos provetes realizados com 5,5% de betume, e a Figura 4.14 tem que ver com os
provetes com 6,5% de betume.
Tomando como base o Quadro 4.10 e a Figura 4.13, a mistura MM apresenta valores
inferiores às restantes misturas betuminosas incorporando nanomateriais, bem como quando
comparada com a mistura de referência. Não obstante, os resultados estão mesmo assim acima de
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 63
14%, valor mínimo para um AC14 em camada de desgaste, segundo o Caderno de Encargos da EP
(EP, 2009).
Quadro 4.10 - Resultados obtidos do volume de vazios no agregado
Teor de betume
Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Volume de Vazios no Agregado (%)
MBQ MM MP MS
5,5%
0 21,4 - - -
2 - 16,6 19,7 20,5
4 - 17,2 19,8 19,0
6 - 17,0 18,0 19,8
6,5%
0 19,6 - - -
2 - 18,9 18,8 20,1
4 - 17,8 19,7 17,3
6 - 18,5 18,8 18,4
Na realidade não se pensa que a adição de qualquer nanomaterial afete significativamente
esta característica da mistura, como se pode verificar na Figura 4.13. De facto, no presente ensaio do
VMA, o constituinte mais influente é o agregado utilizado e a forma como se distribui o seu esqueleto,
pelo que a incorporação de nanomaterial, realizada diretamente no ligante, não vai afetar aquela
distribuição.
Figura 4.13 - Variação do VMA para 5,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
Quanto aos resultados obtidos para as misturas betuminosas com 6,5% de betume, como se
mostra na Figura 4.14, é possível verificar que os resultados das misturas betuminosas incorporando
nanomateriais são bastante semelhantes aos da MBQ. Realça-se o caso da incorporação de 2% e de
4% de sílica, correspondendo, respetivamente, ao máximo e mínimo dos resultados obtidos. Contudo
essa variação não se revela significativa.
Com isto, pode extrair-se essencialmente as mesmas conclusões que para a percentagem de
5,5 de betume.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
64 Leonor Burguete
Figura 4.14 - Variação do VMA para 6,5% de betume com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com MBQ (0% de incorporação de nanomateriais)
4.2.4 Indicadores Absolutos de Variação
Para ajudar a perceção dos resultados recolhidos, e resumir a informação mais importante,
apresentam-se no Quadro 4.11 e no Quadro 4.12 os indicadores absolutos de variação, referentes a
cada grandeza calculada, correspondendo cada quadro à quantidade de 5,5% e 6,5% de betume,
respetivamente. Os indicadores de variação foram calculados somente entre as misturas
betuminosas incorporadas com nanomateriais e a mistura de referência, não contabilizando a
variação das misturas com nanomateriais entre si.
Dos resultados apresentados no Quadro 4.11 ilustram-se os seguintes aspetos:
As misturas MM, MS e MP apresentam um comportamento semelhante (menor força de
rotura em valor absoluto) em relação a MBQ;
As misturas MM, MS e MP apresentam um comportamento melhor (menor deformação
em valor absoluto) em relação a MBQ, resultando melhor a taxa de incorporação de 6%;
A mistura MS é a que apresenta uma relação Fr/Def sensivelmente melhor que para
MBQ;
As misturas MS e MM apresentam uma melhor porosidade em relação à MBQ, pois
encaixam-se nas necessidades habituais duma camada de desgaste (entre 3 e 5% de
acordo com segundo o Caderno de Encargos da EP (EP, 2009)), sendo que a MBQ
apresenta uma porosidade fora desses limites;
As misturas MM, MP e MS apresentam comportamentos bastante semelhantes à MBQ
no que diz respeito à baridade aparente, BMT e VMA, sendo possível afirmar que os
nanomateriais têm pouca influência na consistência das misturas betuminosas;
A mistura MM apresenta, em geral, um comportamento pouco conclusivo, resultando
num bom comportamento para a taxa de 2% de nanomaterial, mau comportamento para
a incorporação de 4% de nanomaterial, e de novo num bom comportamento para a
incorporação de 6%;
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 65
A mistura MP apresenta, no geral, um bom comportamento para baixas taxas de
incorporação, associado a boas variações absolutas em relação a MBQ para a
incorporação de 2% e de 4% de nanomaterial, embora a taxa de 6% resulte num
comportamento muito semelhante a MBQ;
A mistura MS apresenta, para a generalidade das propriedades, um comportamento
tanto melhor quanto maior é a taxa de incorporação de nanomaterial.
Quadro 4.11 - Indicadores absolutos de variação para as misturas betuminosas com 5,5% de betume
Indicadores absolutos de variação
Misturas com MM
MP
MS
5,5% de betume
% de nanomaterial 2 4 6 2 4 6 2 4 6
Força de rotura -0,6 -0,2 -0,3 -0,3 +0,3 -0,4 -0,8 -0,2 -0,3
(kN)
Deformação -1,1 +0,4 -1,0
-0,5 -0,5 -0,5
-0,5 -0,7 -1,0
(mm)
Fr/Def +0,2 -0,1 +0,2
+0,1 +0,2 0,0
0,0 +0,2 +0,2
(kN/mm)
Porosidade -2,4 -1,7 -1,9
+0,8 +1,0 -0,9
-0,8 -2,5 -1,7
(%)
Baridade aparente +11,0 -1,0 -6,0
-17,0 -27,0 -4,0
-7,0 +19,0 +20,0
(kg/m3)
VMA -4,8 -4,2 -4,4
-1,7 -1,6 -3,4
-0,9 -2,4 -1,6
(%)
BMT -55,0 -47,0 -58,0
+7,0 +1,0 -28,0
-29,0 -50,0 -25,0
(kg/m3)
Da análise do Quadro 4.12 importa referir o seguinte:
As misturas MS e MP apresentam um melhor comportamento (maior força de rotura em
valor absoluto) em relação a MBQ, sendo a taxa 4% a respeitante aos melhores
resultados;
As misturas MM e MS apresentam o melhor comportamento para a deformação na
rotura. A MS mostrou deformações significativamente mais baixas do que as de MBQ, o
que pode ser explicado pela maior rigidez que a sílica proporciona à mistura;
Tendo em conta a Fr/Def, as misturas MM e MP demonstram um comportamento neutro
em relação a MBQ, sem significativa variabilidade. A mistura MS apresenta o melhor
comportamento para todas as taxas de incorporação;
As misturas MM, MP e MS apresentam porosidades mais baixas do que a MBQ. Tal
facto justifica-se pela maior quantidade de ligante, que preenche a maior parte da
quantidade de vazios, e não parece ser pela presença dos nanomateriais;
Tal como se concluiu para a percentagem de 5,5 de betume, as misturas MM, MP e MS
apresentam comportamentos bastante semelhantes à MBQ no que diz respeito à
baridade aparente, BMT e VMA, sendo possível confirmar, também para esta % de
betume, que os nanomateriais não afetam a consistência das misturas betuminosas;
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
66 Leonor Burguete
A mistura MM apresenta, no geral, um comportamento bastante semelhante a MBQ para
qualquer taxa de incorporação, sendo mesmo a taxa de 4% e de 6% resultantes dum
comportamento praticamente igual a MBQ, com variações em valor absoluto pouco
significativas;
A mistura MP apresenta um comportamento ambíguo para a generalidade das
propriedades, devido a um mau comportamento para a incorporação de 2% de
nanomaterial, bom comportamento para a taxa de 4%, e novamente mau para a taxa de
6%;
A mistura MS apresenta, no geral, um comportamento significativamente melhor quanto
maior a taxa de incorporação, com variações em valor absoluto de deformação e de
força de rotura muito satisfatórios.
Quadro 4.12 - Indicadores absolutos de variação para as misturas betuminosas com 6,5% de betume
Indicadores absolutos de variação
Misturas com MM
MP
MS
6,5% de betume
% de nanomaterial 2 4 6 2 4 6 2 4 6
Força de rotura -0,3 -0,1 -0,3 +0,1 +2,1 -0,2 +0,4 +1,5 +0,6
(kN)
Deformação -0,6 -0,2 -0,2
+1,2 +0,6 +0,3
-0,6 -0,9 -1,9
(mm)
Fr/Def +0,1 0,0 0,0
-0,2 +0,2 -0,1
+0,2 +0,4 +0,6
(kN/mm)
Porosidade -0,5 -1,7 -0,7
-0,8 0,0 -0,7
+0,7 -2,3 -1,1
(%)
Baridade aparente -31,0 0,0 -39,0
+14,0 +35,0 +2,0
-13,0 +20,0 +2,0
(kg/m3)
VMA -0,7 -1,8 -1,1
-0,8 +0,1 -0,8
+0,5 -2,3 -1,2
(%)
BMT -45,0 -47,0 -61,0
-8,0 +35,0 -18,0
+5,0 -44,0 -29,0
(kg/m3)
4.3 Análise do Ensaio de Penetração
A análise dos resultados do ensaio de penetração, segundo a norma NP EN 1426 (IPQ,
2003a), é importante para verificar as alterações proporcionadas pela incorporação dos
nanomateriais no betume.
Os resultados obtidos para o ensaio de penetração estão apresentados no Quadro 4.13,
estando representados graficamente na Figura 4.15. Os valores individuais obtidos da penetração do
betume, modificado e não modificado, podem ser consultados no Anexo G.
Analisando o Quadro 4.13 e a Figura 4.15, é possível observar que os resultados da
penetração do betume utilizado nas misturas incorporadas por nanomateriais foram inferiores à
penetração do betume utilizado na mistura betuminosa de referência. Pode concluir-se que as
variações não são muito significativas com as taxas de incorporação de nanomateriais, mantendo-se
muito próximas no caso de MM e MP e embora variando com significado no caso de MS quando se
considera a taxa de incorporação de 2% em relação às restantes.
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 67
Em relação ao betume não modificado, ou seja, em relação a MBQ, a penetração varia entre
5 a 20% para baixo do valor apresentado, o que pode considerar-se significativo para o limite superior
que acontece com alguma consistência na MP, sendo certo que considerando a taxa de incorporação
de 2% a variação para todos os nanomateriais está entre 10 e 20% mais baixa, revelando que há
uma tendência de aumento com significado da rigidez do betume a 25ºC para taxas de incorporação
baixas deste tipo de nanomateriais.
Quadro 4.13 - Resultados obtidos do ensaio de penetração
Betume da
mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Penetração (x 0,1mm)
cv Δ
MBQ 0 39 0,00% -
MM
2 35 0,00% -10,26%
4 34 1,70% -12,82%
6 35 1,65% -10,26%
MP
2 32 1,80% -17,95%
4 31 1,86% -20,51%
6 34 2,94% -12,82%
MS
2 33 1,75% -15,38%
4 37 1,56% -5,13%
6 37 1,56% -5,13%
Figura 4.15 - Variação da penetração do betume das misturas betuminosas com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com o betume de MBQ (0% de incorporação de
nanomateriais)
Analogamente à campanha experimental realizada por Jahromi e Khodaii (2009), a redução
da penetração, em comparação com o betume não modificado, significa um aumento da sua rigidez.
Este é um resultado positivo, pois as misturas betuminosas da camada de desgaste têm que exibir
uma boa rigidez, desempenhando melhor o seu papel estrutural. Contudo, é necessário verificar o
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
68 Leonor Burguete
que acontece com esta rigidificação do betume, pois propriedades como a durabilidade e a
resistência à fadiga poderão ficar mais comprometidas.
É preciso dar nota que houve alguma dificuldade na homogeneização dos provetes de
betume modificados pelo que as conclusões tiradas têm de ser vistas com alguma reserva e deverá
desenvolver-se um processo de modificação que garanta uma forma mais fiável.
4.4 Análise do Ensaio da Temperatura do Ponto de Amolecimento
Os resultados obtidos para o ensaio da temperatura do ponto de amolecimento, segundo o
método do anel e bola, de acordo com as especificações da norma NP EN 1427 (IPQ, 2003b), estão
apresentados no Quadro 4.14, estando representados graficamente na Figura 4.16.
Quadro 4.14 - Resultados obtidos do ensaio da temperatura do ponto de amolecimento
Betume da
mistura Taxa de incorporação de nanomaterial (%)
Temperatura de amolecimento (ºC)
Δ
MBQ 0 56,3 -
MM
2 55,4 -1,60%
4 56,1 -0,36%
6 56,0 -0,53%
MP
2 56,2 -0,18%
4 56,1 -0,36%
6 56,8 +0,89%
MS
2 55,2 -1,95%
4 54,6 -3,02%
6 55,8 -0,89%
Figura 4.16 - Variação da temperatura de amolecimento do betume das misturas betuminosas com 2%, 4% e 6% de incorporação de nanomateriais e por comparação com o betume de MBQ (0% de
incorporação de nanomateriais)
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 69
Tanto no Quadro 4.14, como na Figura 4.16, é possível visualizar que, no geral, a
temperatura de amolecimento do betume das misturas incorporadas com nanomaterial tem tendência
a diminuir, embora com pouco significado, em relação à temperatura de amolecimento do betume da
MBQ. De qualquer modo, mesmo com menor expressão, este é um resultado inverso ao verificado
para a penetração.
Sinteticamente, para estes resultados, tanto de penetração como da temperatura de
amolecimento, não se pode ser definitivo sobre a influência no comportamento do betume (alteração
da sua viscosidade) devido à presença de nanomaterial, sendo necessário estender mais a análise e
também melhorar os procedimentos.
4.5 Validação dos Resultados
De maneira a que a utilização de misturas betuminosas nas camadas dos pavimentos esteja
de acordo com os requisitos geralmente exigidos, no Quadro 4.15 indicam-se os limites para uma
camada de desgaste tal como definido no Caderno de Encargos Tipo Obra da EP (EP, 2009).
Quadro 4.15 - Limites dos requisitos das misturas betuminosas aplicadas na camada de desgaste (adaptado de EP, 2009)
Requisitos/Propriedades Referência Normativa Valores Limite
Estabilidade mínima Smín EN 12697 - 34 7,5 kN
Estabilidade máxima Smáx EN 12697 - 34 15 kN
Deformação mínima Fmín EN 12697 - 34 2 mm
Deformação máxima Fmáx EN 12697 - 34 4 mm
Cociente Marshall mínimo Qmín EN 12697 - 34 3 kN/mm
Vazios na mistura de agregados VMA EN 12697 - 8 > 14 %
Porosidade mínima Vmín EN 12697 - 8 3%
Porosidade máxima Vmáx EN 12697 - 8 5%
No Quadro 4.16 encontram-se os resultados de todas as misturas betuminosas com 5,5% de
betume, onde é feita a distinção dos que estão dentro dos valores admissíveis apresentados no
Quadro 4.15, e os que estão fora dos mesmos, estando estes últimos destacados a negrito.
Quadro 4.16 - Validação dos resultados obtidos do estudo Marshall para as misturas betuminosas com 5,5% de betume
Mistura % de nanomaterial
Estabilidade Deformação Fr/Def VMA Porosidade
5,5% betume (kN) (mm) (kN/mm) (%) (%)
MBQ - 8,9 6,0 1,5 21,4 5,3
MM
2 8,3 4,9 1,7 16,6 2,9
4 8,7 6,4 1,4 17,2 3,6
6 8,6 5,0 1,7 17,0 3,4
MP
2 8,6 5,5 1,6 19,7 6,1
4 9,2 5,5 1,7 19,8 6,3
6 8,5 5,5 1,5 18,0 4,4
MS
2 8,1 5,5 1,5 20,5 4,5
4 8,7 5,3 1,7 19,0 2,8
6 8,6 5,0 1,7 19,8 3,6
Da observação do Quadro 4.16, é possível constatar o seguinte:
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
70 Leonor Burguete
Todos os resultados referentes à estabilidade e ao VMA, e apenas esses, cumprem na
totalidade os requisitos impostos;
Para todas as misturas betuminosas, a deformação ultrapassa os 4 mm desejáveis,
havendo mesmo uma diferença média de 1,5 mm entre o valor recolhido e o valor
exigido. Contudo, as misturas MM, MP e MS deram origem a deformações mais
próximas das exigíveis;
Devido ao concluído do ponto anterior relativo à deformação, é natural que o cociente
Marshall seja afetado, não chegando a atingir o mínimo exigido, sendo que as misturas
betuminosas incorporadas por nanomateriais proporcionaram ainda assim resultados
mais próximos dos habituais;
Em todos os tipos de misturas betuminosas, a porosidade revela discrepâncias. As
misturas MM e MS apresentam, para a maior parte das taxas de incorporação, as
porosidades exigidas. A MP apresenta porosidades superiores à referência, e fora dos
limites exigidos.
No Quadro 4.17 encontram-se os resultados de todas as misturas betuminosas com 6,5% de
betume, onde é feita a distinção dos que estão dentro dos valores admissíveis referidos no Quadro
4.15, e os que estão fora dos mesmos, estando estes últimos destacados a negrito.
Quadro 4.17 - Validação dos resultados obtidos do estudo Marshall para as misturas betuminosas com 6,5% de betume
Mistura % de nanomaterial
Estabilidade Deformação Fr/Def VMA Porosidade
6,5% betume (kN) (mm) (kN/mm) (%) (%)
MBQ - 8,1 6,4 1,3 19,6 3,4
MM
2 7,8 5,8 1,4 18,9 2,9
4 8,0 6,2 1,3 17,8 1,7
6 7,8 6,2 1,3 18,5 2,7
MP
2 8,2 7,6 1,1 18,8 2,6
4 10,2 7,0 1,5 19,7 3,4
6 7,9 6,7 1,2 18,8 2,7
MS
2 8,5 5,8 1,5 20,1 4,1
4 9,6 5,5 1,7 17,3 1,1
6 8,7 4,5 1,9 18,4 2,3
Com base no exposto no Quadro 4.17, é possível inferir o seguinte:
Todos os resultados referentes à estabilidade e ao VMA, e apenas esses, cumprem na
totalidade os requisitos impostos;
A mistura MM e MS apresentam deformações fora dos limites, contudo mais próximas
destes do que a MBQ. A mistura MP apresenta porosidades piores do que a MBQ, o que
significa ainda mais afastadas dos limites;
Devido ao concluído sobre a deformação, é natural que o cociente Marshall seja afetado,
não chegando a atingir o mínimo exigido. No entanto, a mistura MS apresenta os
resultados mais próximos dos habituais, e por isso mais satisfatórios;
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 71
A maior parte das misturas betuminosas apresenta uma porosidade inferior à requerida,
sendo a MP a que apresenta as porosidades mais satisfatórias para qualquer taxa de
incorporação.
Pode concluir-se desta análise que a mistura de referência, ela própria, não cumpre os
requisitos, pelo que teria de ser ajustada para o fazer. Como foi usada para referência uma mistura já
validada (formulada) para AC14 pode inferir-se que ou a análise inicial estava mal estabelecida ou os
agregados fornecidos, em concreto, não permitiriam estabelecer o padrão da formulação inicial.
Embora o que se comparou tenham sido misturas de base iguais (modificada ou não por
nanomateriais) e, portanto, não haver para isso necessidade de cumprimento de nenhum requisito
especial, evidentemente que um aspeto a ser tratado em futuras análises é que as misturas alvo
possam ser consideradas no âmbito da aplicação prática, ou seja, que cumpram os requisitos para
tal. Também se deve assinalar que as percentagens de betume usadas no estudo (a de 6,5% pelo
menos) estão no limite superior daquelas que habitualmente se usam num AC14 (assim escolhidas
porque se tratava de adicionar um material com grande superfície específica, o qual poderia
necessitar duma maior percentagem de betume por razões de consistência), o que também ajudou
num pior comportamento à deformação Marshall.
4.6 Análise do Custo de Produção de Misturas Betuminosas Incorporando
Nanomateriais
A camada de desgaste visa proporcionar as características necessárias para uma adequada
circulação dos veículos durante o seu período de vida útil, em conformidade com os aspetos relativos
a custos, isto é, estes devem ser também adequados à industrialização em causa (Branco et al.,
2005).
Ora, tem sentido fazer uma análise dos custos associados à produção das misturas
betuminosas incorporadas por nanomateriais. Segundo Jahromi e Khodaii (2009), é de extrema
importância atender ao desempenho dos nanomateriais, a par do custo a que estão associados. A
contabilização da competitividade deste tipo de misturas betuminosas neste estudo é feita apenas
com os custos de produção. No entanto, não é demais reforçar a ideia de que a contabilização dos
custos (e benefícios) no ciclo de vida são (ou deveriam ser) determinantes para a validação das
soluções.
Ao nível da produção, as misturas betuminosas com nanomateriais são fabricadas
exatamente nos mesmos moldes que as misturas convencionais. A temperatura de produção, e de
compactação, não se altera, tratando-se, pois, de misturas fabricadas a quente. Logo, no que diz
respeito a este aspeto, não existem ganhos nem perdas, estando a balança económica estabilizada.
No que diz respeito a inconvenientes (custos), é possível evidenciar os seguintes:
A necessidade de se misturar o betume e o nanomaterial em primeiro lugar, antes de se
proceder à sua adição com os agregados, implica que seja necessário a central de
produção integrar este aspeto, implicando, consequentemente, custos de adaptação e,
provavelmente, custos energéticos adicionais;
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
72 Leonor Burguete
Por se tratar duma nova tecnologia com caráter não usual, é provável que este tipo de
solução acarrete mais custos devido à necessidade de outro tipo de cuidados e até de
licenças e verificação de regulamentação adicional;
Os nanomateriais são materiais em geral caros, para além de exigirem cuidados
especiais para o seu correto manuseamento.
Deste modo, estima-se que o custo final de produção das misturas betuminosas com
nanomateriais seja superior ao das MBQ, o que compromete a competitividade das primeiras.
Como a diferença de custos entre uma MBQ com e sem nanomateriais também depende
muito do custo dos nanomateriais, vai fazer-se uma análise deste aspeto.
Para a realização do presente trabalho, foi necessário procurar empresas fornecedoras de
nanomateriais. Algumas forneceram os nanomateriais sem qualquer custo, como foi o exemplo do
carbonato de cálcio precipitado e da sílica, e no caso da montmorilonite foi necessário comprá-la. No
Quadro 4.18 dispõem-se os gastos referentes somente à parcela do nanomaterial e do betume,
sendo que os custos médios unitários (em 2012) dos materiais foram disponibilizados pelas
respetivas empresas fornecedoras, mesmo nos casos em que foram fornecidos sem qualquer custo.
Importa referir que o Quadro 4.18 representa um exemplo de custos, efetuado para a situação mais
propícia de acontecer, e ao mesmo tempo a mais economicamente desfavorável. Com isto, o
exemplo escolhido diz respeito à taxa de incorporação de nanomaterial de 6, e a uma percentagem
de 6,5 de betume.
Quadro 4.18 - Análise dos custos de produção parciais das misturas betuminosas
Os montantes parciais mostrados no Quadro 4.18 comprovam o que seria de esperar, ou
seja, que o custo parcial de produção das misturas betuminosas incorporadas com nanomateriais é
superior ao custo parcial de produção da mistura convencional, estando em conformidade com a
bibliografia consultada. A diferença de custos é muito acentuada no caso do MM e do MS, como se
pode verificar. No entanto, esta análise foi feita tendo como hipótese de compra a empresas
fornecedoras especializadas em nanomateriais, sendo que o mais provável de acontecer é que uma
comercialização generalizada poderia baixar substancialmente os custos de aquisição.
Extrapolando esta relativamente modesta análise de custos (note-se que só se usou 6% de
incorporação de nanomateriais) para a extensão dum trecho geralmente sujeito a intervenção numa
Constituintes/Custos Unidade MBQ MM MP MS
Betume (MBQ) kg/ton (MBQ) 65 65 65 65
Custo do betume 35/50 euro/ton (betume) 300 300 300 300
Custo do betume (MBQ) euro/ton (MBQ) 19,5 19,5 19,5 19,5
Nanomaterial (ligante) %/ligante - 6 6 6
Nanomaterial (MBQ) kg/ton (MBQ) - 3,9 3,9 3,9
Custo do nanomaterial euro/500g (nanomaterial) - 52,3 0,26 40,0
Custo do nanomaterial euro/ton (MBQ) - 407,9 2,0 312,0
Custo parcial de produção (MBQ)
euro/ton (MBQ) 19,5 427,4 21,5 331,5
Diferença de custos % - 2092 10 1600
Capítulo 4 - Apresentação e Análise dos Resultados
Leonor Burguete 73
estrada, é provável que a solução dos nanomateriais seja desadequada. Com isto, tem de se
perceber mais profundamente quais as qualidades específicas das misturas betuminosas que podem
ser efetivamente melhoradas com incorporação de nanomateriais, e o que isso significa no ciclo de
vida dessas misturas, podendo desta forma justificar-se o custo adicional do uso dos tais
nanomateriais.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
74 Leonor Burguete
Capítulo 5 - Conclusões
Leonor Burguete 75
5. Conclusões
5.1 Síntese do Trabalho
O presente trabalho seguiu a metodologia definida no capítulo 1 para se tentar atingir os
objetivos também aí definidos.
Começou por fazer-se o enquadramento das misturas betuminosas incorporadas por
nanomateriais, e em consequência da nanotecnologia tratar-se de uma nova tecnologia, abordou-se o
seu significado, funcionalidade, finalidade, e deram-se a conhecer diferentes nanomateriais aplicados
na generalidade das engenharias, e de possível interesse na engenharia rodoviária. Foram
caracterizados os nanomateriais usados neste estudo, sendo eles: a montmorilonite, da família das
nanoargilas, o nano-PCC (carbonato de cálcio precipitado), e a nanosílica. Não só apontaram-se as
suas características, como evidenciou-se a sua utilidade, nomeadamente quando destinadas a outras
áreas. Toda esta informação foi reunida no capítulo 2, tendo sido esta fase de caracterização
essencial para dar introdução à avaliação experimental descrita no capítulo 3.
No capítulo 3, fez-se a descrição dos ensaios laboratoriais realizados para o estudo do
desempenho das misturas betuminosas. Deu-se especial ênfase ao modo de fabrico dos provetes,
uma vez que a mistura do nanomaterial com o ligante é fulcral para o adequado comportamento das
misturas. Foram produzidos no total 60 provetes, servindo de amostras para os diversos tipos de
misturas betuminosas: MBQ, MM, MP, e MS, consoante o nanomaterial incorporado e a sua taxa de
incorporação. A metodologia Marshall usada permitiu reunir diferentes grandezas, nomeadamente as
baridades, a força de rotura e a deformação, a porosidade e os vazios no esqueleto do agregado de
maneira a fazer-se uma análise comparativa do comportamento das misturas betuminosas. A par
destes ensaios, foram realizados o ensaio da penetração e o ensaio de determinação da temperatura
do ponto de amolecimento, como forma de analisar o efeito dos nanomateriais no betume.
A apresentação e análise dos resultados dos ensaios realizados, ambas concretizadas no
capítulo 4, permitiram o cotejo das misturas betuminosas incorporando nanomateriais com as
misturas betuminosas convencionais. Foi também realizada uma avaliação de custos para a
alternativa mais densa com nanomateriais (6,5% de betume incorporando 6% de nanomaterial), de
forma a permitir uma comparação mais completa com a solução convencional.
5.2 Principais Conclusões do Trabalho
A análise comparativa das misturas betuminosas produzidas indicou que a adoção de
nanomateriais promove determinadas mudanças no comportamento das mesmas. No geral, e com
base nos resultados obtidos, é possível inferir as seguintes considerações:
A influência dos nanomateriais é mais evidente quanto maior a sua taxa de incorporação,
nomeadamente para a Fr/Def e porosidade;
Tanto para as misturas betuminosas com 5,5% de betume, como com 6,5%, evidenciou-
se a mistura MS como a respeitante ao melhor comportamento em relação a MBQ, uma
vez que apresentou os resultados mais positivos no que diz respeito ao cociente
Marshall. Tal pode ser justificado pela ligação química do betume com a sílica, que
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
76 Leonor Burguete
fortalece a reologia do mastique, proporcionando um comportamento mais rígido. As
misturas MM e MP revelaram um comportamento ligeiramente semelhante à MBQ, pelo
que não se revelam alternativas tão interessantes;
Todas as misturas betuminosas com betume modificado com nanomateriais
apresentaram penetrações mais baixas do que o betume não modificado de MBQ,
confirmando o comportamento mais rígido provocado pela presença do nanomaterial;
Em termos de custos, as misturas MM e MS resultaram numa diferença de custos em
relação a MBQ muito elevada, sendo a mistura MP a solução mais barata das misturas
incorporando nanomateriais. Contudo, espera-se que haja um grande desenvolvimento e
consequente expansão do mercado da nanotecnologia a curto prazo, permitindo que os
custos sejam reduzidos, viabilizando este tipo de solução.
No essencial pensa-se que se atingiram os objetivos do trabalho, embora com limitações. De
facto pôde inferir-se que a incorporação de nanomateriais nas misturas betuminosas revelou-se no
caso da MS como prometedora em termos mecânicos (para 6,5% de betume e para qualquer
percentagem de incorporação) já que apresentou uma maior rigidez global sem que isso tivesse
perturbado significativamente as outras características. Deve dizer-se que este é um resultado novo
já que em geral os nanomateriais estudados e aplicados até agora em misturas betuminosas tem sido
as nanoargilas, quase em exclusividade. Evidentemente que a questão de custos leva a que seja
necessário por um lado, com ensaios de desempenho e de apreciação da durabilidade, e ainda com
aplicações reais em trecho experimental, confirmar esta tendência encontrada, e por outro, com estes
resultados fazer uma avaliação de custos no ciclo de vida porque só assim se poderá perceber o que
eventualmente se ganhará com o uso de nanosílica.
5.3 Proposta de Desenvolvimentos Futuros
Futuramente há que desenvolver trabalho que possa conduzir a:
Validação de aspetos relativos à produção de misturas betuminosas com nanomateriais,
seja em laboratório seja em produção real;
Validação do uso de nanosílica em misturas betuminosas fazendo uso duma maior
sofisticação de avaliação do desempenho e da determinação de custos para o ciclo de
vida, como se mencionou na secção anterior. Há que considerar ensaios como o da
sensibilidade à água (ITSR), da deformação permanente (Wheel Tracking), o ensaio por
flexão em quatro pontos, e o de envelhecimento direto das misturas betuminosas por
razões de avaliação da durabilidade, bem como fazer isto diretamente no betume com o
ensaio RTFOT;
Realizar o mesmo trabalho para os outros nanomateriais passíveis de utilização, já que é
necessário perceber em definitivo se a tendência encontrada neste estudo se confirma.
O campo da incorporação de nanomateriais para a melhoria significativa do comportamento
de misturas betuminosas em serviço ainda se encontra no estado inicial do desenvolvimento do
conhecimento, pelo que há que tentar fechar o mais possível as dúvidas e resolver as incertezas que
Capítulo 5 - Conclusões
Leonor Burguete 77
também este trabalho ajudou a sublinhar. Pensa-se que os caminhos apontados são agora aqueles
que devem ser seguidos.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
78 Leonor Burguete
Referências Bibliográficas
Leonor Burguete 79
Referências Bibliográficas
(NOTA: A organização das referências bibliográficas é feita listando todas as citadas no texto mas
colocando em secções próprias as referências a normas ("Normas e especificações") e a consultas
na Web ("WEBgrafia"). Existe ainda uma secção de "Bibliografia" onde se listam as publicações
consultadas mas não citadas, contudo bastante importantes na ajuda da compreensão dos conceitos;
estudos; entre outros.)
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WEBgrafia
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Referências Bibliográficas
Leonor Burguete 83
Specialty Minerals @ (2012b) http://www.specialtyminerals.com/our-minerals/what-is-nano-pcc/
EPAL @ (2013) http://www.epal.pt/epal/. Empresa Portuguesa das Águas Livres, Lisboa
Bibliografia
Picado-Santos, L. (2010). “Misturas Betuminosas. Pavimentação Rodoviária”. Apontamentos
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Picado-Santos, L. (2010). “Agregados. Pavimentação Rodoviária”. Apontamentos disponibilizados na
disciplina Construção e Manutenção de Infraestruturas de Transportes. Departamento de
Engenharia Civil e Arquitetura do Instituto Superior Técnico, Portugal
Picado-Santos, L. (2010). “Ligantes. Pavimentação Rodoviária”. Apontamentos disponibilizados na
disciplina Construção e Manutenção de Infraestruturas de Transportes. Departamento de
Engenharia Civil e Arquitetura do Instituto Superior Técnico, Portugal
Picado-Santos, L. (2010). “Pavimento de Infraestruturas de transportes”. Apontamentos
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Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
84 Leonor Burguete
Anexos
Leonor Burguete A.1
ANEXOS
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
A.2 Leonor Burguete
Anexos
Leonor Burguete A.3
Anexo A - Montmorilonite
“Ficha de Dados de Segurança” (2012), fornecida pela empresa Sigma-Aldrich, em ordem à descrição
da nanoargila Montmorilonite.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
A.4 Leonor Burguete
Anexos
Leonor Burguete A.5
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
A.6 Leonor Burguete
Anexos
Leonor Burguete A.7
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
A.8 Leonor Burguete
Anexos
Leonor Burguete A.9
Anexo B - PCC
“Omya Syncarb® S270 - ET 20%” (2010), ficha técnica do produto PCC, concedida pela empresa
Omya Comital Minerais e Especialidades SA, Portugal.
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
A.10 Leonor Burguete
Anexos
Leonor Burguete A.11
Anexo C - Baridade Aparente
% de betume % de nanomaterial Nº do
provete
Baridade Aparente (Kg/m3)
MBQ MM MP MS
5,5 0
1 2530
2547 - - - 2 2519
3 2591
5,5 2
1
-
2537
2558
2532
2530
2544
2540 2 2561 2512 2549
3 2575 2547 2526
5,5 4
1
-
2570
2546
2514
2520
2581
2566 2 2554 2548 2570
3 2514 2499 2546
5,5 6
1
-
2555
2541
2543
2543
2563
2567 2 2508 2531 2539
3 2561 2556 2600
6,5 0
1 2547
2554 - - - 2 2541
3 2574
6,5 2
1
-
2535
2523
2568
2568
2515
2541 2 2525 2585 2544
3 2510 2552 2565
6,5 4
1
-
2554
2554
2584
2589
2576
2574 2 2555 2604 2567
3 2554 2579 2579
6,5 6
1
-
2509
2515
2515
2556
2564
2556 2 2515 2557 2546
3 2522 2596 2559
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
A.12 Leonor Burguete
Anexo D - Força de Rotura
% de betume % de nanomaterial Nº do provete Força de Rotura (kN)
MBQ MM MP MS
5,5 0
1 9,270
8,9 - - - 2 7,569
3 9,900
5,5 2
1
-
8,453
8,3
7,875
8,6
7,951
8,1 2 7,417 8,942 9,005
3 8,923 8,839 7,402
5,5 4
1
-
8,727
8,7
9,205
9,2
9,558
8,7 2 9,689 10,205 8,099
3 7,675 8,052 8,567
5,5 6
1
-
8,936
8,6
9,244
8,5
7,942
8,6 2 7,516 7,860 8,690
3 9,206 8,367 9,159
6,5 0
1 7,328
8,1 - - - 2 8,824
3 8,137
6,5 2
1
-
7,231
7,8
8,889
8,2
7,866
8,5 2 8,426 8,330 8,840
3 7,781 7,331 8,759
6,5 4
1
-
8,981
8,0
10,679
10,2
9,492
9,6 2 7,131 9,614 8,976
3 7,933 10,291 10,232
6,5 6
1
-
7,773
7,8
6,444
7,9
9,069
8,7 2 7,321 7,896 8,692
3 8,304 9,280 8,321
Anexos
Leonor Burguete A.13
Anexo E - Deformação na Rotura
% de betume % de nanomaterial Nº do provete Deformação (mm)
MBQ MM MP MS
5,5 0
1 6,824
6,0 - - - 2 6,108
3 5,046
5,5 2
1
-
4,994
4,9
4,957
5,5
4,859
5,5 2 4,780 4,842 6,397
3 4,937 6,637 5,256
5,5 4
1
-
6,119
6,4
5,928
5,5
5,722
5,3 2 5,876 5,309 4,910
3 7,099 5,217 5,197
5,5 6
1
-
4,994
5,0
5,371
5,5
4,681
5,0 2 5,466 6,038 5,437
3 4,425 5,024 4,78
6,5 0
1 6,735
6,4 - - - 2 5,594
3 6,829
6,5 2
1
-
5,226
5,8
7,350
7,6
6,321
5,8 2 5,518 7,737 5,274
3 6,530 7,826 5,691
6,5 4
1
-
6,148
6,2
6,812
7,0
4,010
5,5 2 7,157 6,819 5,977
3 5,215 7,318 6,526
6,5 6
1
-
5,672
6,2
6,975
6,7
4,621
4,5 2 6,523 6,930 4,555
3 6,348 6,163 4,371
Contribuição para o estudo do comportamento de misturas betuminosas incorporando nanomateriais
A.14 Leonor Burguete
Anexo F - Porosidade
% de betume % de nanomaterial Nº do provete Porosidade (%)
MBQ MM MP MS
5,5 0
1 3,7
5,3 - - - 2 5,9
3 6,3
5,5 2
1
-
3,7
2,9
6,1
6,1
4,3
4,5 2 2,8 6,8 4,2
3 2,2 5,5 5,0
5,5 4
1
-
2,7
3,6
6,5
6,3
2,2
2,8 2 3,3 5,3 2,6
3 4,9 7,1 3,5
5,5 6
1
-
2,9
3,4
4,4
4,4
3,8
3,6 2 4,7 4,9 4,7
3 2,7 3,9 2,4
6,5 0
1 3,7
3,4 - - - 2 3,9
3 2,7
6,5 2
1
-
2,5
2,9
2,6
2,6
5,1
4,1 2 2,9 2,0 4,0
3 3,4 3,2 3,2
6,5 4
1
-
1,7
1,7
3,6
3,4
1,0
1,1 2 1,7 2,8 1,3
3 1,7 3,8 0,9
6,5 6
1
-
2,9
2,7
4,3
2,7
2,0
2,3 2 2,7 2,7 2,7
3 2,4 1,2 2,2
Anexos
Leonor Burguete A.15
Anexo G - Penetração
% de nanomaterial Nº da leitura Penetração (x 0,1mm)
MBQ MM MP MS
0
1 39
39 - - - 2 39
3 39
2
1
-
35
35
32
32
34
33 2 35 32 33
3 35 33 33
4
1
-
34
34
31
31
37
37 2 35 31 38
3 34 32 37
6
1
-
34
35
35
34
36
37 2 35 33 37
3 35 34 37
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