Modificação polimérica do concreto asfáltico pelo método de “adição por via seca”: a tecnologia e os resultados da pesquisa

Introdução

Nos últimos anos a qualidade dos materiais e das obras de construção de pavimentos nos países da Europa, da Ásia, da CEI, da América e da África melhorou significativamente. Isso se deve em grande medida à introdução de novas tecnologias e normas e ao uso de materiais de construção modernos que entregam durabilidade e confiabilidade ao pavimento. No entanto, diante das mudanças climáticas e da intensidade crescente do carregamento do tráfego, a questão de assegurar a estabilidade e a resistência à temperatura dos pavimentos asfálticos torna-se cada vez mais premente.

Os problemas associados às propriedades físicas e químicas dos ligantes asfálticos usados como elemento ligante nas misturas asfálticas exigem pesquisas mais profundas e novas abordagens tecnológicas. Modificar o ligante asfáltico com polímeros e outros aditivos pode elevar significativamente a resistência do pavimento asfáltico a efeitos externos como as variações de temperatura, a ação da umidade e o carregamento mecânico. Essa questão já foi levantada repetidas vezes em diversas publicações científicas, como “Bitumen and Bitumen Modification: A Review on Latest Advances” (Applied Sciences) e “Исследование особенностей взаимодействия битумов с полимерами” (D. A. Ayupov, L. I. Potapova), entre muitas outras. No entanto, como mostra a pesquisa científica, o caráter particular dos ligantes asfálticos produzidos por destilação ou dificulta consideravelmente a sua modificação ou a torna praticamente impossível. A inconstância dos indicadores do ligante asfáltico e a sua divergência em relação às características declaradas também exigem a busca de soluções alternativas para obter um pavimento asfáltico de qualidade.

O objetivo do trabalho

O objetivo deste trabalho é chamar a atenção de especialistas e profissionais do setor de construção rodoviária para uma tecnologia alternativa de modificação de misturas asfálticas, que torna possível alcançar características de operação estáveis do pavimento independentemente da instabilidade das propriedades do ligante asfáltico original. Atenção particular é dada ao uso de aditivos poliméricos capazes de compensar as deficiências dos ligantes asfálticos modernos, especialmente os obtidos pelo método de destilação, e em particular a sua baixa capacidade de ser modificados com polímeros. Essa tecnologia pretende assegurar a estabilidade e a duração de serviço dos pavimentos rodoviários sob variações de temperatura significativas e carregamento aumentado do tráfego.

A pesquisa se dirige a encontrar um processo ótimo de modificação polimérica, que entregue as características físicas e mecânicas necessárias do concreto asfáltico, resistência ao desgaste e uma vida útil longa da estrutura do pavimento. Além disso, um objetivo principal é simplificar o processo de modificação e reduzir os custos de produção de pavimentos de qualidade.

O desenvolvimento ativo do setor de construção rodoviária, tanto em países em desenvolvimento quanto em países desenvolvidos, e o volume crescente de obras rodoviárias exigem uma melhoria significativa da qualidade dos materiais usados na aplicação de pavimentos asfálticos. Entre os principais componentes que determinam a durabilidade do pavimento, a mistura asfáltica não desempenha papel pequeno. Ela tem de suportar não apenas o carregamento dinâmico do tráfego, mas também apresentar resistência a mudanças bruscas de temperatura, ao efeito das precipitações e a outros fatores agressivos do ambiente externo.

O elemento essencial que determina as propriedades das misturas asfálticas é o ligante asfáltico, que cumpre a função de material ligante, proporcionando adesão entre as partículas dos componentes minerais. No entanto, à medida que a pesquisa científica nessa área se aprofundou, constatou-se que a qualidade do ligante asfáltico original nem sempre atende às normas necessárias. Isso decorre não apenas das características da própria matéria-prima, mas das particularidades da sua produção, especialmente quando se usam ligantes asfálticos obtidos por destilação em refinarias de petróleo.

Como sistema coloidal, o ligante asfáltico consiste em uma variedade de compostos químicos que têm propriedades particulares e formam a sua estrutura. Dependendo da proporção quantitativa desses componentes, o ligante asfáltico pode ter uma estrutura física diferente. O modelo de ligante asfáltico mais amplamente aceito o descreve como uma solução coloidal na qual grandes estruturas moleculares (micelas) estão ligadas umas às outras por ligações de hidrogênio fracas. As micelas se formam a partir de moléculas de asfaltenos, que são a parte mais dura do ligante asfáltico, enquanto a sua superfície externa é estabilizada por resinas. Isso proporciona a estabilidade estrutural do ligante asfáltico na fase coloidal.

Com base nesse modelo, distinguem-se três tipos estruturais principais de ligante asfáltico: “sol”, “sol-gel” e “gel”. Cada um desses tipos tem as suas próprias características físicas e químicas particulares. Por exemplo, os ligantes asfálticos do tipo “sol” se caracterizam por um teor elevado de asfaltenos, o que torna a estrutura do ligante asfáltico mais rígida e quebradiça. Os ligantes asfálticos de estrutura “gel”, por contraste, têm uma consistência mais fluida, já que possuem um teor elevado de óleos e resinas. Os mais adequados para uso na produção de ligante asfáltico modificado por polímero (PMB) são os ligantes asfálticos do tipo “sol-gel”, já que combinam as melhores propriedades dos dois tipos e têm características físicas e mecânicas equilibradas.

Apesar disso, o processo de modificação de ligantes asfálticos com polímeros frequentemente encontra uma série de dificuldades. Um dos problemas principais é a competição entre os asfaltenos e os polímeros pela fração maltênica do ligante asfáltico, que é o principal meio de dispersão da modificação. Durante esse processo, os polímeros introduzidos no ligante asfáltico têm de adquirir uma fase dispersa estável em um meio já ocupado por moléculas de asfaltenos. Isso dificulta significativamente o inchamento do polímero e reduz a eficácia da modificação. Isso se manifesta particularmente no caso dos ligantes asfálticos obtidos pelo método de destilação, que têm um teor mais baixo de asfaltenos, e isso os torna menos adequados à modificação.

Para que os ligantes asfálticos sejam modificados com polímeros com sucesso, o ligante asfáltico original tem de ter propriedades ótimas. Em particular importa, a título de exemplo, que a profundidade de penetração da agulha a uma temperatura de 25 °C esteja entre 60 e 90 mm⁻¹ para o clima da Europa Oriental. No entanto, a realidade do setor de refino de petróleo força os produtores a extrair ao máximo as frações leves do petróleo, deixando o ligante asfáltico como produto residual, o que muitas vezes leva a uma deterioração da sua qualidade.

As tecnologias de refino de petróleo são constantemente aprimoradas, tornando possível extrair ao máximo da matéria-prima os derivados leves de valor, gasolina, óleo diesel, querosene de aviação, que são muito mais custosos do que o ligante asfáltico. Métodos modernos como o refino profundo, o hidrocraqueamento e o craqueamento térmico aumentam consideravelmente o rendimento de combustíveis automotivos. Um efeito colateral desse processo, porém, é uma deterioração da qualidade do ligante asfáltico, já que ele permanece um produto residual com características estruturais alteradas.

Antigamente o ligante asfáltico era obtido predominantemente por destilação direta, o que lhe dava uma composição equilibrada e propriedades de operação estáveis. Hoje prevalecem na produção processos destrutivos, nos quais os componentes mais valiosos são retirados do petróleo, e o ligante asfáltico que resta se caracteriza por um teor baixo de compostos de alto peso molecular, uma estrutura instável e uma tendência aumentada ao envelhecimento. Além disso, as refinarias de petróleo usam cada vez mais matéria-prima com teor elevado de parafina, o que reduz ainda mais a elasticidade do ligante asfáltico e piora a sua adesividade. Os ligantes asfálticos obtidos pelo método de destilação sem oxidação subsequente são particularmente problemáticos. Eles interagem mal com polímeros como o SBS, já que contêm uma quantidade insuficiente dos asfaltenos necessários para formar uma estrutura de rede estável. Em consequência, a modificação polimérica exige plastificantes e estabilizantes adicionais, um consumo aumentado de polímeros ou soluções combinadas e caras para alcançar as características de operação requeridas. Em substância, isso torna a modificação do ligante asfáltico extremamente complicada e economicamente injustificada, já que o desembolso financeiro e os riscos técnicos não são cobertos pelo resultado possível.

Nessas condições, os órgãos rodoviários e os produtores de misturas asfálticas são obrigados a procurar aditivos e tecnologias eficazes que compensem as deficiências do ligante asfáltico moderno e assegurem a durabilidade do pavimento.

O mercado e os resultados da pesquisa

Nos últimos anos a demanda por ligante asfáltico rodoviário nos países da Europa, da CEI e da Ásia Central cresceu significativamente, especialmente em conexão com a execução de projetos de infraestrutura de larga escala, como a construção de novas rodovias e a reconstrução de artérias de transporte existentes. Se em 2017 a necessidade total do setor rodoviário de ligantes asfálticos em um único país, a Ucrânia, era de cerca de 350-400 mil toneladas por ano, até 2021 essa cifra havia crescido para 1,2-1,4 milhões de toneladas. O crescimento da demanda por ligante asfáltico levou a importações ativas de ligantes asfálticos de destilação dos países do Sul da Europa e da Ásia. Esses ligantes asfálticos, porém, frequentemente têm propriedades que divergem significativamente dos requisitos das normas, especialmente durante a modificação com polímeros.

Ao longo de 2021-2024 um grupo de especialistas competentes realizou mais de 90 ensaios de diversas amostras de ligante asfáltico produzidas na Itália, na Espanha, na Grécia, na Polônia, no Azerbaijão, no Irã e em outros países. Os resultados generalizados dessa pesquisa revelaram problemas sérios de correspondência entre as características declaradas do ligante asfáltico e os indicadores reais, em particular quanto ao ponto de amolecimento e à penetração. Além disso, não se estabeleceu nenhuma dependência clara entre as características iniciais do ligante asfáltico e os resultados da modificação. Importa notar que algumas amostras não sofreram modificação alguma, mesmo quando se aumentaram a quantidade de polímero e o tempo do processo de modificação. Além disso, a mistura asfáltica acabada apresentou às vezes propriedades físicas e mecânicas imprevisíveis, o que exigiu correção constante do processo de modificação.

Outro problema que surge na produção de ligante asfáltico modificado por polímero é a separação do ligante asfáltico durante o armazenamento e o transporte. Isso leva a uma situação em que, no momento em que o ligante asfáltico é usado para aplicar o pavimento, as suas propriedades podem divergir significativamente das originais, o que repercute negativamente na qualidade da mistura asfáltica. Pior de tudo, as equipes das usinas de asfalto e dos laboratórios muito frequentemente têm de tomar decisões difíceis com rapidez, sem dispor de tempo suficiente para ensaios e provas de laboratório.

Uma alternativa a modificar o ligante asfáltico é a tecnologia de modificar a mistura asfáltica, como produto final, pelo método de “adição por via seca”, com um aditivo polimérico como o “MPC” VELETON™ incorporado diretamente no misturador da usina de asfalto, que atende aos requisitos da ДСТУ 8959-2019, da ГОСТ Р 58406.2-2020, da СТ РК 2373-2019 e de outras.

Essa tecnologia está estabelecida há muito tempo e é usada ativamente pelo setor de construção rodoviária dos países líderes da Europa e da Ásia, e também dos EUA, e tem certas vantagens em relação à modificação convencional do ligante asfáltico, a saber:

1. A qualidade e as propriedades físicas e mecânicas do produto final, a mistura asfáltica, não dependem significativamente da qualidade do ligante asfáltico nem da sua capacidade de ser modificado com polímeros. A razão é que um aditivo polimérico de “adição por via seca” trabalha com os componentes da mistura, especificamente com o agregado graúdo, de modo que a mistura asfáltica ganha ligações poliméricas fortes entre os seus componentes, que podem ser representadas como uma rede polimérica 3D.
2. O processo de produção da mistura asfáltica é significativamente simplificado, porque não se requer equipamento complexo e custoso para a modificação polimérica do ligante asfáltico, como um moinho coloidal e misturadores de alta velocidade. O produtor também economiza uma quantidade significativa de tempo, porque o ligante asfáltico pode ser usado imediatamente, sem as 8-12 horas habituais de modificação (como ocorre com aditivos do tipo SBS).
3. Não há necessidade de aquecer o ligante asfáltico significativamente (acima de temperaturas de 165-170 °C), o que não leva à sua oxidação e ao seu envelhecimento rápidos.
4. Os resultados do uso do aditivo MPC de “adição por via seca” são sempre previsíveis e calculados matematicamente, conforme o tipo de mistura asfáltica e a quantidade de polímero nela.

A Tabela 1 — análise do uso do aditivo de “adição por via seca” no exemplo da Ucrânia no período de 2020-2024 mostra os seguintes resultados:

A Tabela 2 — resultados da comparação entre dados experimentais e teóricos, determinação do número de ciclos de carga até a ruptura das amostras de concreto asfáltico estudadas com o aditivo. Temperatura: T = +20 °C.

Os dados obtidos (Tabela 2) indicam que os cálculos teóricos concordam com os dados experimentais. Isso mostra que essas dependências podem ser usadas em cálculos práticos para assegurar ou prever a durabilidade do pavimento asfáltico em rodovias e em pontes sob o efeito da temperatura e do carregamento dos veículos, e também para prever as suas mudanças durante a operação ao longo de um período de tempo dado.

A experiência de uso pelas empresas líderes de construção rodoviária dos países da Europa, da CEI e da Ásia Central mostrou resultados altos e, o que mais importa, repetíveis, alta resistência ao carregamento, resistência ao congelamento e resistência ao cisalhamento dos pavimentos asfálticos. Os resultados dos ensaios mostram que a mistura asfáltica atende aos requisitos da ДСТУ 8959-2019, da ГОСТ Р 58406.2-2020, da СТ РК 2373-2019 e de outras em todos os indicadores.