Rheological Benchmarking of GTR-Modified Asphalt Binder as a Sustainable Alternative to SBS Modification

Resumo Técnico: Avaliação Comparativa Reológica de Ligante Asfáltico Modificado com GTR

Definição do Problema
O estireno-butadieno-estireno (SBS) é um elastômero termoplástico à base de petróleo amplamente utilizado para modificar o betume a fim de melhorar as propriedades reológicas, especificamente aumentando a resistência à fissuração e ao trilhamento sob tráfego pesado e condições ambientais desafiadoras. No entanto, o SBS é um produto proprietário com altos custos que podem aumentar significativamente as despesas dos projetos de construção. Por outro lado, a Borracha de Pneu Moída (GTR), derivada de pneus descartados, oferece uma alternativa sustentável e de baixo custo que melhora o desempenho do asfalto e reduz as emissões de gases de efeito estufa durante o ciclo de vida. Apesar desses potenciais benefícios, os ligantes modificados com GTR não têm visto aplicação generalizada em certas regiões, em parte devido a uma compreensão empírica limitada de como suas características de desempenho se comparam aos ligantes estabelecidos com modificação por SBS. Existe uma carência de pesquisas comparativas que avaliem o GTR em relação ao SBS para determinar se o GTR pode servir como um substituto viável em aplicações de pavimentação de alto desempenho.

Metodologia
O estudo visou identificar uma dosagem ideal de GTR para um ligante asfáltico de graduação AC-20 que produz características reológicas comparáveis aos ligantes comerciais modificados com SBS.

• Materiais: Os pesquisadores utilizaram um betume base AC-20. O GTR foi produzido a partir de um pneu Yokohama de seis anos de uso, processado em partículas variando de 75 µm a 300 µm. Ligantes modificados com SBS comercial contendo 1%, 2% e 3% de SBS (correspondentes às graduações Superpave PG 70-22, PG 76-22 e PG 82-22) serviram como controles.
• Preparação: O GTR foi misturado ao betume AC-20 em dosagens de 2% a 12% (em incrementos de 2%) utilizando um misturador de cisalhamento de alta velocidade (5000 rpm por 45 minutos), seguido por um período de digestão a 165°C por 2 horas.
• Condicionamento: As amostras passaram pelo condicionamento de envelhecimento Superpave, incluindo o Forno de Filme Fino de Rolamento (RTFO) para envelhecimento de curto prazo e o Vaso de Envelhecimento por Pressão (PAV) para envelhecimento de longo prazo.
• Testes: A caracterização reológica foi realizada de acordo com as normas AASHTO e ASTM:
  • Resistência ao Trilhamento (Rutting): Avaliada usando o Reômetro de Cisalhamento Dinâmico (DSR) para o módulo de cisalhamento complexo ($|G^*|/\sin\delta$) em amostras não envelhecidas e envelhecidas por RTFO, e o teste de Recuperação de Creep de Múltiplo Estresse (MSCR) (AASHTO M332) para determinar a conformidade de creep não recuperável ($J_{nr}$) e a sensibilidade ao estresse.
  • Fissuração por Fadiga: Avaliada via DSR em amostras envelhecidas por PAV usando o parâmetro de fadiga ($|G^*|\cdot\sin\delta$).
  • Fissuração Térmica: Avaliada usando o Reômetro de Viga de Flexão (BBR) para medir a rigidez ($S$) e a taxa de mudança de rigidez ($m$-value).
  • Análise Química: A espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) foi realizada para detectar mudanças estruturais moleculares ou interações químicas.

Principais Resultados

• Resistência ao Trilhamento: O aumento da dosagem de GTR melhorou a resistência ao trilhamento. A 70°C, os ligantes modificados com 10% (G10) e 12% (G12) de GTR atenderam ao critério de trilhamento Superpave para ligantes não envelhecidos, apresentando desempenho comparável aos ligantes modificados com SBS. Nos testes MSCR em amostras envelhecidas por RTFO, o G10 e o G12 atingiram graus de carregamento de tráfego "Extremo" (E), similares a todos os controles de SBS. No entanto, o G12 exibiu uma diferença de $J_{nr}$ de 99,57%, excedendo o limite de 75% para sensibilidade ao estresse, indicando potencial instabilidade. O G10 manteve uma diferença de $J_{nr}$ aceitável (50,60%) enquanto atendia aos requisitos de tráfego Extremo.
• Fissuração por Fadiga: A modificação por GTR reduziu consistentemente o parâmetro de fadiga ($|G^*|\cdot\sin\delta$), indicando melhor resistência à fadiga. A 31°C, o ligante G10 apresentou uma redução de 124,9% no parâmetro de fadiga em comparação com o ligante SBS de 1% (PG 70-22). O G10 atendeu com sucesso aos critérios de fissuração Superpave a 22°C, enquanto os ligantes SBS de 1% e 2% falharam.
• Fissuração Térmica: O ligante G10 demonstrou menor rigidez (98 MPa) e um $m$-value favorável (0,36) em comparação com o ligante SBS de 1% (rigidez de 156 MPa, $m$-value de 0,34). Esta combinação sugere maior flexibilidade e relaxamento de tensão, levando a uma melhor resistência à fissuração térmica do que os controles de SBS.
• Interação Química: A análise FTIR não revelou alterações químicas detectáveis ou novos grupos funcionais nos ligantes modificados com GTR. As melhorias de desempenho foram atribuídas a interações físicas, como dispersão de partículas e inchamento, em vez de modificação química.

Conclusões e Significância
O estudo conclui que uma dosagem de 10% de GTR representa o conteúdo ideal para modificar o ligante AC-20. Esta dosagem proporciona uma melhoria equilibrada na resistência ao trilhamento, fissuração por fadiga e fissuração térmica, comparando-se efetivamente com um ligante SBS de 1% (PG 70-22). Embora o GTR a 12% tenha oferecido resistência ao trilhamento semelhante, sua alta sensibilidade ao estresse torna o G10 o limite superior prático.

A significância desta pesquisa reside em demonstrar a viabilidade da utilização do GTR como uma alternativa sustentável ao SBS. Os resultados sugerem que a modificação por GTR pode alcançar características reológicas comparáveis ou superiores à modificação por SBS de baixa dosagem sem alteração química do ligante. Isso oferece um caminho para reduzir os custos de construção e desviar pneus descartados de aterros sanitários, mantendo altos padrões de desempenho pavimentar. Os autores observam que, embora 10% tenha sido determinado como o ideal neste estudo específico, aplicações práticas podem exigir determinação experimental baseada em fontes de materiais locais.