Investigation of the aging phenomenon in asphalt binders and asphalt mixtures: linear viscoelastic behavior and performance properties

Abstract

A análise do comportamento das misturas asfálticas é de extrema importância no cenário da pavimentação, cujo objetivo final é o melhor desempenho aliado à economia de recursos. A caracterização e previsão precisas das propriedades das misturas estão se tornando fatores mais importantes à medida que métodos mais precisos de previsão de desempenho de pavimentos estão sendo implementados. Contudo, a previsão da performance dos materiais asfálticos ainda é tarefa desafiadora, visto que inúmeros fatores que afetam os materiais asfálticos ainda necessitam de maiores investigações, entre eles, o fenômeno de envelhecimento. O envelhecimento é geralmente definido como a mudança nas propriedades reológicas a partir da mudança da composição química, e impacta na performance dos pavimentos. De forma a investigar estes fenômenos em campo e em laboratório, oito segmentos monitorados foram estabelecidos nesta pesquisa e tiveram seus materiais (ligantes, agregados e misturas) coletados durante a execução do revestimento. O impacto a partir dos protocolos laboratoriais de envelhecimento de ligantes asfálticos foi investigado e índices para mensurar os níveis de oxidação foram observados. A maioria dos índices reológicos encontrados na literatura, e os dados experimentais em temperaturas intermediárias e altas, mostraram-se bons indicadores do fenômeno de envelhecimento, e se correlacionam fortemente as alterações químicas e de performance a fadiga observadas. Extração de amostras e recuperação dos ligantes em diferentes profundidades foram realizadas ao longo do tempo em campo. Observou-se o perfil de envelhecimento dos ligantes a partir das alterações nas propriedades do domínio linear viscoelástico (LVE), e o impacto que estas alterações causaram na suscetibilidade aos principais defeitos dos pavimentos asfálticos: trincamento por fadiga e afundamento de trilha de roda. Em geral, foi observado ganho de rigidez e perda de parcela viscosa na resposta as deformações, ganho de resistência a deformação permanente, e comportamento a fadiga atrelado aos níveis de deformações impostas. A degradação polimérica durante a produção em usina impactou severamente os ligantes modificados por SBS. Tempos de equivalência do protocolo RTFOT com a produção em usina forma observados. Verificações acerca do uso de amostras reduzidas (38 mm x 110 mm) foram realizadas, e provaram que esta geometria gera resultados confiáveis de módulo complexo e comportamento de fadiga em misturas asfálticas. As amostras reduzidas, proporcionaram o estudo das misturas envelhecidas em campo como construídas, a partir da extração horizontal de amostras, e também indicou que o volume de vazios (vinculado a compactação de campo) é fator importante na performance do pavimento e nos custos ao longo da vida útil. Uma analise multi-escala (ligante/mistura/campo) foi realizada em relação a resistência a deformação permanente e demonstrou que o comportamento do ligante é herdado pelo pavimento. Ligantes modificados, levaram a melhores desempenhos de misturas em laboratório e em campo. Verificações do comportamento LVE das misturas ao longo do envelhecimento de campo e laboratório foram realizadas, e demonstraram que as misturas ganham rigidez em domínios de altas temperaturas, e perdem parcela viscosa para domínios de baixas e intermediárias temperaturas. Correlações entre tempo de exposição em campo e protocolo de envelhecimento em estufa foram obtidos. Ao final, a análise de performance a fadiga foi avaliada ao longo do envelhecimento das misturas em laboratório. Observou-se que o ganho ou perda de desempenho é função do nível de envelhecimento e das deformações impostas. Uma forte relação foi obtida entre a resistência a fadiga dos ligantes e a resistência a fadiga das misturas.