Investigação das propriedades físicas, reológicas e de desempenho de diferentes ligantes RAP com aditivo WMA e agente de reciclagem

Abstract

A escassez de agregados pétreos e de ligantes fósseis utilizados na produção de misturas asfálticas será uma realidade mundial a ser enfrentada em um futuro próximo. A busca pela preservação do meio ambiente impulsionou o estudo de métodos e formas de reaproveitamento de materiais reciclados com características adequadas para uso em pavimentação. A necessidade crescente da promoção da sustentabilidade e avanços da tecnologia imulsionaram o uso do material fresado de revestimentos asfálticos, denominado Reclaimed Asphalt Pavement (RAP). A possibilidade de redução do consumo de energia pela diminuição da temperatura de usinagem e compactação de misturas asfálticas recicladas, através do uso de tecnologias de misturas mornas ou Warm Mix Asphalt (WMA), tem sido objeto de pesquisas. O objetivo do estudo foi avaliar os efeitos da incorporção de ligantes envelhecidos RAP nas propriedades das amostras de ligantes asfálticos, considerando diferentes teores de asfalto e distintas idades de aplicação em campo do material fresado, e adicionando a tecnologia WMA para contribuir com a redução do consumo de energia durante a produção de ligantes asfálticos. O uso de aditivo WMA proporciona a inserção de maiores teores de material reciclado em novas amostras. Ainda existe uma lacuna no entendimento das características reológicas e de desempenho de amostras de ligantes asfálticos reciclados mornos WMA-RAP. Na metodologia proposta, avaliou-se quatro fresados com ligante convencional, com duas faixas de idade de aplicação em campo. Os ligantes envelhecidos (RAP) foram extraídos e recuperados por meio de um evaporador rotativo e uso do solvente tricloroetileno. Foram produzidas e testadas amostras com incorporações de teores de 20%, 35% e 50% de material reciclado, misturados a um ligante virgem CAP 50/70 e ao aditivo químico morno do tipo surfactante. Avaliou-se ainda as amostras com e sem uso de agente de reciclagem (chamado de agente rejuvenescedor no trabalho). Todas as amostras WMA-RAP foram comparadas a amostras de referência, a quente e morna, sem inserção de RAP. Foram realizados ensaios de caracterização física e reológica, prescritos nas especificações brasileira e SUPERPAVE, para representação do comportamento viscoelástico e para predição do desempenho mecânico das amostras. O teste de fluência e recuperação sob múltiplas tensões (MSCR) foi utilizado para predição de desempenho à deformação permanente e o ensaio de varredura linear de amplitude (LAS), quanto à fadiga. O estudo revelou que a interação do ligante virgem com o aditivo WMA e ligante RAP apresentou comportamento satisfatório nos testes realizados. O uso de amostras WMA-RAP trouxe ganhos expressivos em comparação com as amostras de referência Os ligantes WMA-RAP apresentaram aumento de rigidez e redução do ângulo de fase, além da diminuição da penetração e aumento do ponto de amolecimento e da viscosidade à medida que o percentual de RAP aumentou de 20% para 50%. Quando incorporado agente rejuvenescedor, observou-se reversão dessas propriedades. A adição de 20% de RAP apresentou aumento de 1 High-Temperature Performance Grade (PGH), enquanto a adição de 35% e 50% de RAP resultou em uma melhoria de 2 graus PGH. Pela análise do parâmetro PGH Continuous, as amostras com 50% de RAP se aproximaram de um PGH76 após envelhecimento em curto prazo (RTFOT). As amostras com 50% de RAP atenderam à classe 70S, enquanto as amostras de referência eram 58S. Ao adicionar agente rejuvenescedor, as amostras com 50% de RAP apresentaram melhoria de até 3 Intermediate-Temperature Performance Grades (PGIs). As curvas de fadiga das amostras WMA-RAP mostraram comportamento similar para deformações de 1,25% e 2,5%, com vida à fadiga (Nf) mais elevada nas amostras com maior proporção de RAP. Para 5% de deformação, o desempenho das amostras com 20% de RAP foi superior e houve melhoria das amostras com alta porcentagem de RAP quando da adição de rejuvenescedor. A adição de até 50% de RAP apresentou comportamento adequado em relação à fadiga, mas pode necessitar de agente rejuvenescedor. Os resultados mais coerentes para o ensaio LAS foram obtidos em amostras pós-PAV, quando aplicada a definição de falha PSE e a deformação de 5%. De maneira geral, quanto maior a idade do ligante asfáltico RAP, melhor foi a predição de comportamento em relação à deformação permanente e à fadiga. A pesquisa indicou que as amostras WMA-RAP apresentam um desempenho satisfatório, mesmo com alto teor de RAP, e que a resistência à deformação permanente e à fadiga não são barreiras para seu uso.

Abstract: The scarcity of stone aggregates and fossil binders used in the production of asphalt mixtures will be a global reality to be faced in the near future. The quest for environmental preservation has driven the study of methods and ways to reuse recycled materials with suitable characteristics for use in paving. The growing need to promote sustainability and advances in technology have spurred the use of milled asphalt pavement material, known as Reclaimed Asphalt Pavement (RAP). The potential for reducing energy consumption by lowering the temperature of processing and compacting recycled asphalt mixtures through the use of warm mix technologies or Warm Mix Asphalt (WMA), has been the subject of research. The objective of the study was to evaluate the effects of incorporating aged RAP binders on the properties of asphalt binder samples, considering different asphalt contents and various ages of field application of the milled material, while also incorporating WMA technology to reduce energy consumption during asphalt binder production. The use of WMA additives allows for higher incorporation of recycled materials in new samples. There remains a gap in understanding the rheological and performance characteristics of warm recycled asphalt binders (WMA-RAP). In the proposed methodology, four milled materials with conventional binder were evaluated, considering two application age ranges in the field. The aged binders (RAP) were extracted and recovered using a rotary evaporator and trichloroethylene solvent. Samples were produced and tested with recycled material incorporations of 20%, 35%, and 50%, mixed with a virgin binder CAP 50/70 and a warm surfactant-type chemical additive. Furthermore, samples were evaluated with and without the use of recycling agent (referred to as rejuvenator in the study). All WMA-RAP samples were compared to reference samples, both hot and warm mixtures, without RAP incorporation. Physical and rheological characterization tests were conducted according to Brazilian specifications and SUPERPAVE guidelines to represent the viscoelastic behavior and predict the mechanical performance of the samples. The Multiple Stress Creep and Recovery (MSCR) test was used to predict performance under permanent deformation, while the Linear Amplitude Sweep (LAS) test assessed fatigue. The study revealed that the interaction between the virgin binder, WMA additive, and RAP binder demonstrated satisfactory behavior in the conducted tests. The use of WMA-RAP samples resulted in significant improvements compared to the reference samples. The WMA-RAP binders exhibited increased stiffness, reduced phase angle, and decreased penetration, along with an increase in softening point and viscosity as the percentage of RAP increased from 20% to 50%. When a rejuvenating agent was added, a reversal of these properties was observed. The addition of 20% RAP resulted in an increase of 1 High-Temperature Performance Grade (PGH), while the addition of 35% and 50% RAP led to an improvement of 2 PGH grades. Analyzing the PGH Continuous parameter, the samples with 50% RAP approached a PGH76 after short-term aging (RTFOT). The samples with 50% RAP met the 70S class, whereas the reference samples were 58S. With the addition of the rejuvenating agent, the samples with 50% RAP showed an improvement of up to 3 Intermediate-Temperature Performance Grades (PGIs). The fatigue curves of the WMA-RAP samples exhibited similar behavior for strains of 1.25% and 2.5%, with a higher fatigue life (Nf) in samples with a greater proportion of RAP. For 5% strain, the performance of the samples with 20% RAP was superior, and the samples with a high percentage of RAP showed improvement with the addition of the rejuvenating agent. The addition of up to 50% RAP demonstrated adequate behavior regarding fatigue, though it may require a rejuvenating agent. The most consistent results for the LAS test were obtained from post-PAV samples when applying the PSE failure definition and a 5% strain. Generally, the older the RAP asphalt binder, the better the prediction of behavior concerning permanent deformation and fatigue. The research indicated that WMA-RAP samples perform satisfactorily, even with high RAP content, and that resistance to permanent deformation and fatigue does not pose a barrier to their use.