Caracterização físico-química e estudo reológico de asfaltos modificados pelos polímeros PEAD, PEBD e PELBD e contribuição ao estudo do envelhecimento do cimento asfáltico de petróleo

• Author(s): Getúlio Francisco Manoel
• Date: 2019
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-A3ZG8A
• Origin: Oasisbr
• Subject(s): Engenharia Química; Engenharia quimica
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: Portuguese

Description

No presente trabalho, foi feito um estudo sobre o cimento asfáltico de petróleo CAP, envolvendo a sua modificação pelos polímeros termoplásticos polietileno de alta densidade (PEBD), polietileno de baixa densidade (PEBD) e polietileno linear de baixa densidade (PELBD), os dois últimos de diferentes grades, e o estudo do envelhecimento do CAP com base na norma ASTM D2872-RTFOT, sem e com adição de RARO (extrato aromático, subproduto do craqueamento catalítico do petróleo), com concentrações variando de 2% a 14% em massa. Os asfaltos modificados por polímeros (AMPs) foram obtidos com diferentes composições de polímeros (de 1% a 7% em massa), as misturas foram caracterizadas físico-quimicamente e estudadas quanto ao seu comportamento reológico. O grau de cristalinidade dos polietilenos (PEs) utilizados, determinado por calorimetria exploratória diferencial (DSC), se situou entre 36% e 57%. Os resultados da caracterização físico-química e reológica dos asfaltos modificados por polímeros (AMPs) mostraram o compromisso entre múltiplos fatores no comportamento dos mesmos, destacando-se a influência do grau de cristalinidade dos PEs nesse comportamento. Todos os AMPs obtidos, comparativamente ao CAP puro, apresentaram menor penetração, maior ponto de amolecimento e maior viscosidade, sendo as variações mais significativas para os polímeros mais cristalinos e nas concentrações mais elevadas. A análise do comportamento dos AMPs sob o ponto de vista do grau de cristalinidade do polímero mostrou a influência deste na solubilização dos polímeros no CAP. Quanto maior o grau de cristalinidade, maior a dificuldade de solubilização no CAP. Tal fato é de extrema importância no processo de produção dos AMPs. Observou-se, a partir do estudo reológico, uma redução no valor do ângulo de fase e um aumento do parâmetro G*/sen, com a adição dos polímeros, relativamente aos do CAP puro, ambos os efeitos dependentes da concentração. Tais resultados indicam um aumento na elasticidade (aumento do módulo elástico) e uma maior resistência à deformação permanente dos AMPs, comparativamente ao CAP puro. Observou-se, ainda, uma correlação entre a cristalinidade dos polímeros incorporados ao CAP e os parâmetros reológicos obtidos, demonstrando a importância da morfologia do polímero no comportamento do AMP. Verificou-se que as alterações causadas pela adição dos PEs são significativamente maiores que aquela causada pela adição do poli(estireno-co-butadieno-co-estireno) (SBS), na concentração de 4% em massa, o que sugere que os PEs podem ser usados em concentrações menores. Constatou-se, também, um aumento do Grau PG (performance grade) da especificação SUPERPAVE, pela adição dos polímeros, sendo os maiores valores obtidos quando da incorporação dos PELBDs. Portanto, a adição dos PEs viabiliza a utilização dos AMPs como ligantes para pavimentos sujeitos a temperaturas mais elevadas ou com alto volume de tráfego. Este trabalho possibilitou uma melhor compreensão do comportamento reológico dos AMPs e das interações polímero/CAP e a obtenção de várias correlações relativas às modificações de propriedades físico-químicas e térmicas como resultado do processo de envelhecimento, estabelecendo-se as bases para a construção de um modelo preditivo para o envelhecimento do CAP. Adicionalmente, valores de propriedades termodinâmicas foram calculados com o objetivo de se entender como se processa o envelhecimento do CAP e como ele poderia ser previsto. Este conhecimento é importante, considerando-se dois aspectos: o primeiro com relação ao processo de produção durante o refino de petróleo, em que torna-se mandatório prever as propriedades dos produtos antes deles serem produzidos, visando maximizar o processo e evitando perdas de produtos. O segundo ponto é com relação ao processo de usinagem do CAP na produção dos AMPs e da massa asfáltica (mistura com agregados).

In this work, asphalt cement of petroleum AC was studied, involving its modification by the thermoplastic polymers high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE) and linear low density polyethylene (LLDPE), the last two having different grades, and the CAP aging study based on ASTM D2872 standard-RTFOT method, without and with the addition of RARO (aromatic extract, byproduct of petroleum catalytic cracking), with concentrations varying from 2 to 14 w%. The AC modified by polymers (ACMPs) were obtained with different compositions of polymers (from 1 to 7 w%), the mixtures were characterized physicochemically and their rheological behavior was studied. The degree of cristallinity of the used PEs, determined by differential scanning calorimetry (DSC), varied from 36% to 57%. The results obtained from the physicochemical and rheological characterization of the ACMPs showed that their behavior is a consequence of multiple factors compromise, highlighting the influence of the PEs degree of cristallinity in such behavior. All the obtained ACMPs, relatively to pure AC, showed a lower penetration, a higher softening point and a higher viscosity. The changes were more significant for the polymers with higher degree of cristallinity and at higher concentrations. The analysis of MPA considering the degree of crystallinity of the polymer showed the influence of this parameter on the solubilization of the polymers in CAP. The higher the degree of crystallinity, the greater the difficulty in solubilizing it on the CAP. This fact is of fundamental importance in the AMPs production process. It was observed, from the rheological study, a reduction of the phase angle and an increase of the G*/sin parameter with the addition of polymer, relatively to pure AC, both effects being concentration dependent. Such results point out to an increase in the elasticity (increasing of the elastic modulus) and a higher resistance to permanent deformation of the ACMPs, comparatively to pure AC. A correlation between the cristallinity of the polymers incorporated to AC and the obtained rheological parameters was also observed. This fact is a demonstration of the importance of polymer morphology on the ACMP behavior. It was verified that that the changes caused by the addition of PEs are significantly greater that those caused by the addition of poly(styrene-co-butadiene-co-styrene) (SBS), at 4% concentration. This fact suggests that the PEs can be used at lower concentrations. An increase on PG (performance grade) of SUPERPAVE specification, by polymer addition, was also identified, the higher values obtained when LLDPEs were incorporated (PG = 82). So, the addition of PEs makes viable the use of ACMPs as ligands for pavement subjected to high temperatures or to high traffic volume. Through this work, it was possible to achieve a better understanding of the rheological behavior of the ACMPs and of the polymer / AC interactions and the obtainment of various correlations with regard to physicochemical and thermal properties modifications as a result of the aging process, establishing the basis for the construction of a predictive model for AC aging. Additionally, thermodynamic properties values were calculated in order to know how the CAP aging occurs and how it could be predicted. This knowledge is important, considering two aspects: first, with respect to the production process during the oil refining, which becomes mandatory predict the properties of products before they are produced in order to maximize the process and avoid product losses. The second point is related to the machining process of ACMP and asphalt mixture (mixture with aggregates).