Este estudo estabelece uma estrutura robusta e multiescala que relaciona a mecânica do dano do aglomerante ao desempenho à fadiga da mistura, demonstrando que os parâmetros do ensaio de amplitude linear – dano viscoelástico contínuo simplificado (LAS–S-VECD) fornecem uma base confiável e mecanicamente fundamentada para prever e projetar sistemas de asfalto morno duráveis.
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Artigo de investigação
Caracterização em Múltiplas Escalas de Danos por Fadiga em Asfalto Misturado a Quente Baseada em Testes de Varredura de Amplitude Linear e Flexão em Quatro Pontos
Neste artigo
Resumo
Resumo
A fissuração por fadiga é um fator crítico que determina a durabilidade a longo prazo de pavimentos asfálticos, enquanto a relação entre a escala do ligante e a performance do mistura em relação à fadiga ainda não é suficientemente compreendida no caso do asfalto morno (WMA). Neste estudo, as características de fadiga do WMA foram investigadas sistematicamente nas escalas do ligante e da mistura, com o objetivo de estabelecer correlações quantitativas entre essas escalas. Foram realizados ensaios com reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) e ensaios de amplitude linear variável (LAS), interpretados com base na abordagem simplificada de dano viscoelástico contínuo (S-VECD), para caracterizar as propriedades reológicas e a evolução do dano em ligantes asfálticos provenientes de diferentes origens de petróleo bruto. A performance à fadiga na escala da mistura foi avaliada por meio de ensaios de flexão em quatro pontos controlados por deformação. Os resultados indicam que o envelhecimento aumenta significativamente a rigidez do ligante e acelera a degradação por fadiga, com o fator de fadiga G*·sin δ aumentando aproximadamente 150–250% após envelhecimento prolongado. A eficácia da modificação para asfalto morno na escala do ligante mostrou-se fortemente dependente do tipo de ligante, refletida por uma redução de 8–13% no coeficiente de taxa de dano para os Ligantes A e B, mas por um aumento de cerca de 11% para o Ligante C. Indicadores reológicos convencionais, como sin δ, apresentaram capacidade limitada e dependente do material na predição da vida em fadiga da mistura, enquanto os parâmetros de dano derivados do LAS–S-VECD exibiram correlações consistentemente fortes com o desempenho à fadiga na escala da mistura. De modo geral, este estudo demonstra que a caracterização do dano no ligante com base no LAS–S-VECD fornece uma base robusta para prever a resistência à fadiga da mistura e apoia sua aplicação no projeto de misturas baseado em desempenho, visando pavimentos WMA duráveis e sustentáveis.
Introdução
A construção convencional de pavimentos asfálticos depende de processamento em altas temperaturas, normalmente variando entre 160 °C e 180 °C, e ultrapassando 190 °C para ligantes modificados, como o asfalto modificado com borracha e o betume polimérico de alto desempenho. Em aplicações especializadas, incluindo pavimentos para tabuleiros de pontes metálicas, as temperaturas de colocação da mistura in loco podem superar 200 °C1. Essas condições térmicas extremas resultam em consumo substancial de combustíveis fósseis e geram emissões atmosféricas significativas, incluindo gases de efeito estufa e fumos asfálticos perigosos ricos em compostos solúveis em benzeno e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos carcinogênicos (por exemplo, benzo[a]pireno)2,3. Estudos anteriores demonstraram consistentemente que a redução das temperaturas de produção e compactação do asfalto pode diminuir o consumo de combustível, as emissões de CO₂ e a exposição ocupacional aos fumos asfálticos, embora a magnitude desses benefícios dependa do tipo de mistura, da configuração da usina, da dosagem do aditivo e das condições de construção no campo. Estudos recentes ampliaram ainda mais o entendimento sobre o desempenho do asfalto sob diversas modificações e condições de serviço. Relatou-se que a introdução de lignossulfonato de cálcio em misturas asfálticas pode efetivamente retardar o envelhecimento termo-oxidativo, inibindo reações de oxidação e estabilizando a estrutura coloidal dos ligantes asfálticos.
Em termos de comportamento à fratura, investigações de concreto asfáltico a quente (HMA) e concreto asfáltico morno (WMA) sob condições de carregamento puramente Modo I e Modo II demonstraram que o modo de carregamento desempenha um papel fundamental na determinação da tenacidade à fratura em baixas temperaturas e na dissipação de energia. A suscetibilidade à umidade também foi amplamente estudada em sistemas asfálticos modificados com borracha, nos quais materiais de borracha reciclada melhoram a resistência a danos induzidos pela umidade, e o teor ótimo de borracha pode ser determinado por meio de abordagens combinadas de avaliação mecânica e econômica. Em relação ao desempenho em altas temperaturas, o concreto betuminoso usinado a quente com graduação descontínua (SMA) modificado foi avaliado por meio de ensaios de Fluência Dinâmica e do Equipamento de Rastreamento por Roda Hamburguesa, confirmando que a modificação da mistura melhora significativamente a resistência ao abaulamento. Além disso, estudos baseados em flexão semicircular (SCB) em misturas asfálticas que incorporam aditivos reciclados mostraram melhorias notáveis na resistência à fratura em Modo I e na resistência a danos por umidade, destacando os efeitos sinérgicos dos materiais reciclados no desempenho à fadiga e durabilidade. Consequentemente, o desenvolvimento de tecnologias asfálticas para baixas temperaturas surgiu como uma via crítica rumo à construção sustentável de pavimentos e sistemas de infraestrutura ambientalmente responsáveis.
A tecnologia de asfalto morno (WMA), obtida por meio da incorporação de aditivos químicos, ceras orgânicas ou técnicas de espumação, permite a produção eficaz de misturas em temperaturas tipicamente entre 90 °C e 130 °C — o que representa uma redução de 30–50 °C em comparação com o asfalto a quente convencional (HMA)4. Além dos benefícios bem documentados na redução da demanda energética e das emissões de poluentes, o WMA desempenha um papel fundamental na mitigação do envelhecimento termo-oxidativo dos ligantes asfálticos durante a produção e a colocação. O envelhecimento do asfalto é regido pela cinética química dependente da temperatura, com as taxas de oxidação dobrando aproximadamente a cada aumento de 10 °C na temperatura5,6. Temperaturas elevadas aceleram as reações de volatilização, oxidação e polimerização, transformando progressivamente as maltênas em asfaltenos rígidos e, assim, aumentando a rigidez do ligante enquanto reduzem a ductilidade7. Ao reduzir as temperaturas de produção, o WMA suprime essas reações prejudiciais, preservando a viscoelasticidade do ligante e potencialmente melhorando a resistência ao fadiga a longo prazo8.
Embora as vantagens ambientais e construtivas dos mastiques mornos (WMA) tenham sido amplamente relatadas, investigações sistemáticas sobre seu desempenho à fadiga sob condições de envelhecimento permanecem relativamente limitadas. Em particular, mastiques asfálticos derivados de diferentes fontes de petróleo bruto — como as matérias-primas de Karamay, offshore da CNOOC e da CNPC — exibem variações acentuadas na composição química, incluindo teor de asfaltenos, distribuição de resinas, frações aromáticas e níveis de saturados9. Reconhece-se amplamente que essas diferenças composicionais são determinantes fundamentais do comportamento reológico, da suscetibilidade ao envelhecimento e da durabilidade à fadiga10. No entanto, estudos existentes sobre fadiga raramente diferenciam mastiques com base na origem do petróleo bruto, resultando em uma compreensão incompleta de como a química dependente da fonte governa o desempenho à fadiga, especialmente sob envelhecimento cumulativo representativo das condições in loco11,12. Do ponto de vista da engenharia, um método confiável de avaliação da fadiga em escala de masticaria seria particularmente útil para triagem preliminar de materiais, seleção de aditivos para misturas mornas, avaliação da sensibilidade ao envelhecimento e controle de qualidade antes da verificação em nível de mistura. Contudo, o método LAS–S-VECD não deve ser considerado um substituto completo para ensaios de fadiga de misturas, pois a graduação dos agregados, vazios de ar, interação entre masticaria e agregado, qualidade da compactação e envelhecimento em campo também podem influenciar o desempenho à fadiga do pavimento. Além disso, a relação entre indicadores de fadiga em escala de masticaria e o comportamento à fadiga em escala de mistura ainda não foi estabelecida de forma conclusiva para diversas fontes de asfalto13. Embora ensaios reológicos, como o Ensaio de Amplitude Linear (LAS), tenham demonstrado potencial na caracterização do dano por fadiga do masticaria, sua confiabilidade preditiva para a vida útil à fadiga da mistura — particularmente para mastiques com origens químicas distintas — permanece insuficientemente validada14. Essa desconexão limita a precisão das previsões de desempenho baseadas em laboratório e restringe a seleção racional de materiais na prática de engenharia15.
Para abordar essas lacunas críticas, este estudo realiza uma investigação abrangente e multiescala do comportamento à fadiga de ligantes asfálticos modificados a quente provenientes de três fontes distintas de petróleo bruto16. Ao integrar a análise do reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR), ensaios de Varredura de Amplitude Linear (LAS) dentro do framework Simplificado de Dano Viscoelástico Contínuo (S-VECD) e ensaios de fadiga por flexão de quatro pontos em escala de mistura, este trabalho avalia sistematicamente a influência da origem do petróleo bruto, da modificação a quente e do envelhecimento na resistência à fadiga17,18,19. Os resultados têm como objetivo estabelecer correlações robustas entre a reologia do ligante e o desempenho da mistura em diferentes escalas, fornecendo uma base mecanicista para a predição da vida em fadiga e oferecendo orientações práticas para o projeto e seleção de materiais asfálticos sustentáveis.
Este estudo apresenta uma estrutura de caracterização da fadiga em múltiplas escalas para concreto asfáltico morno, integrando a análise do ligante em escala microscópica por LAS–S-VECD com ensaios de fadiga por flexão de quatro pontos em escala de mistura. Em comparação com estudos anteriores que se concentram principalmente na avaliação reológica do ligante ou na avaliação do desempenho da mistura de forma isolada, o presente trabalho estabelece uma ligação mecânica direta entre a química do ligante dependente do petróleo bruto, a modificação para mistura morna e o comportamento à fadiga da mistura sob condições de envelhecimento. A novidade deste estudo reside em três aspectos: (i) incorporação explícita da origem do petróleo bruto como variável determinante no desempenho à fadiga; (ii) correlação sistemática entre escalas, relacionando a evolução do dano obtida por LAS–S-VECD e a vida em fadiga da mistura; e (iii) avaliação unificada dos efeitos da modificação para mistura morna nas escalas do ligante e da mistura. Os resultados demonstram que os parâmetros de dano derivados do LAS–S-VECD fornecem preditores robustos do desempenho à fadiga da mistura, oferecendo uma alternativa mais fundamentada mecanicamente em relação aos índices reológicos convencionais. Esses achados estabelecem uma base científica para a avaliação e o projeto orientados ao desempenho de sistemas sustentáveis de concreto asfáltico morno.
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Protocolo
Materiais
Os três ligantes asfálticos selecionados neste estudo, conforme resumido na Tabela 1, são ligantes de pavimentação representativos derivados de diferentes fontes de petróleo bruto e têm sido amplamente utilizados na engenharia rodoviária prática na China. Os asfaltos Karamay, CNOOC 36-1 e PetroChina diferem acentuadamente na origem do petróleo bruto, composição química, suscetibilidade ao envelhecimento e características reológicas, fornecendo uma base material adequada para investigar o comportamento de fadiga dependente da fonte de petróleo. A seleção desses materiais permite uma avaliação comparativa de como a composição intrínseca do ligante influencia a eficácia da modificação a quente e o desempenho à fadiga em escala de mistura, aumentando assim a relevância engenharia do framework proposto de caracterização da fadiga em múltiplas escalas. As origens geológicas detalhadas e as características químicas de cada ligante são as seguintes:
Agente cimentante A: Derivado de matéria-prima de óleo pesado da zona 9, produzido por meio de um processo de mistura de resíduo a vácuo e asfalto desoleado. Seu material básico apresenta propriedades distintas, incluindo baixo teor de parafina (<2%), concentração mínima de enxofre e alta composição de resinas. Notavelmente, o asfalto Karamay é o único agente cimentante para pavimentação com gravidade específica abaixo de 1 g/cm3 nas aplicações de engenharia atuais, além de apresentar viscosidade dinâmica superior e excelente retenção de ductilidade após envelhecimento. Essas características tornam-no particularmente adequado para regiões sujeitas a grandes variações térmicas diárias e intensa exposição à radiação ultravioleta.
Agente ligante B: Originário do petróleo bruto pesado raro extraído do campo petrolífero marítimo Suizhong 36-1, com alto rendimento de betume de 56% mediante refino. A matéria-prima é classificada como petróleo bruto pesado base naftênica e deficiente em enxofre, com alto valor ácido, resultando em um agente ligante processado com alta densidade (1,012 g/cm3), baixo teor de parafina (1,8%) e proporções elevadas de resinas. Essas propriedades conferem ao agente ligante excelente flexibilidade em baixas temperaturas, tornando-o vantajoso para aplicações em ambientes frios.
Agente ligante C: Formulado principalmente utilizando petróleo pesado venezuelano de Boscan como matéria-prima base, obtendo um rendimento de produção de 60% por meio de processos de refino especializados. Esse petróleo bruto apresenta características geoquímicas únicas, incluindo alto teor de ácidos, concentrações significativas de metais pesados e forte potencial de formação de resíduo de carbono. O agente ligante exibe uma composição atípica de hidrocarbonetos, caracterizada por frações baixas de hidrocarbonetos saturados, complexos enriquecidos de resinas e asfaltenos, e teor notavelmente baixo de parafina (1,3%).
Nesta investigação, os três ligantes asfálticos base foram designados como AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) e CO (PetroChina). Os ligantes correspondentes de WMA foram preparados pela incorporação do aditivo Evotherm M1, codificados como AP, BP e CP, respectivamente20. Índices abrangentes de desempenho, incluindo penetração, ponto de amolecimento e ductilidade, foram testados de acordo com as especificações JTG E20-201121, com dados comparativos detalhados apresentados na Tabela 1. Todos os procedimentos experimentais foram rigorosamente seguidos conforme os protocolos padronizados descritos nas Especificações Técnicas para Misturas Asfálticas e Betuminosas em Engenharia Rodoviária.
| Projeto | Unidade | Karamay | CNOOC | CNPC |
| Penetração | 0,1 mm (15 °C) | 22 | 22 | 24 |
| 0,1 mm (25 °C) | 72 | 68 | 71 | |
| 0,1 mm (30 °C) | 112 | 110 | 116 | |
| PI | － | -1,14 | -1,2 | -0,81 |
| TR&B | °C | 46 | 46,5 | 47,5 |
| Viscosidade dinâmica (60 °C) | Pa·s | 223,5 | 230 | 256,9 |
| Ductilidade (10 °C, 5 cm/min) | cm | >100 | >100 | 52 |
| Teor de cera | % | 1,9 | 1,8 | 1,3 |
| Ponto de fulgor (COC) | ℃ | 278 | 287 | 312 |
| Solubilidade | % | 99,5 | 99,7 | 99,8 |
| Densidade (15 °C) | g/cm³ | 0,977 | 1,012 | 1,049 |
| RTFOT | Variação de massa (%) | 0,05 | 0,06 | -0,07 |
| Relação de penetração residual (%) | 66,2 | 67,4 | 64,8 | |
| Ductilidade residual (10 °C, cm) | 13 | 12 | 9 |
Tabela 1: Parâmetros técnicos principais de ligantes betuminosos. A Tabela 1 resume os parâmetros técnicos principais de ligantes betuminosos, incluindo propriedades físicas, suscetibilidade térmica, características reológicas e desempenho em envelhecimento de curto prazo, para avaliar suas propriedades fundamentais e durabilidade.
O processo de preparação do WMA envolveu um protocolo multifásico estritamente controlado, projetado para garantir a reprodutibilidade da modificação do ligante. O ligante asfáltico base foi inicialmente aquecido em uma estufa com convecção forçada a 135 ± 2 °C durante 60 min para atingir um estado fundido estável, seguido por 30 min de equilíbrio térmico para eliminar gradientes térmicos. Todos os processos de aquecimento foram realizados em recipientes selados com proteção de nitrogênio (vazão: 0,5 L/min) para minimizar o envelhecimento oxidativo durante a condicionamento térmico.
O aditivo Evotherm M1 foi então incorporado a 135 ± 2 °C sob agitação mecânica contínua a 300 rpm durante 5 min antes do processamento com alta cisalhamento, garantindo a dispersão inicial da fase tensioativa. Posteriormente, a mistura com alto cisalhamento foi realizada usando um homogeneizador rotor-estator a 3000 rpm durante 25 min, mantendo-se a temperatura do ligante entre 135–140 °C com um sistema de controle de temperatura por banho de óleo externo (precisão de ±1 °C). Durante todo o processo de mistura, a temperatura foi continuamente monitorada por meio de um termopar calibrado do tipo K inserido na matriz do ligante, e flutuações superiores a ±2 °C acionaram ajustes automáticos de aquecimento. O ligante modificado foi então submetido a um procedimento controlado de resfriamento até 25 °C a uma taxa de 5 °C/min antes dos testes subsequentes ou armazenamento de curto prazo. O delineamento do protocolo de cisalhamento seguiu a relação viscosidade–temperatura dos ligantes asfálticos, assegurando que todas as amostras fossem preparadas sob condições comparáveis de histórico de cisalhamento. Esse controle térmico-mecânico rigoroso garante alta reprodutibilidade e minimiza a variabilidade no preparo de ligantes AMA.
Teste de reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR)
Para caracterizar a resposta reológica e as propriedades relacionadas à fadiga de ligantes asfálticos modificados com aditivos para mistura morna, foram realizados testes de reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) utilizando um reômetro rotacional com controle de temperatura, conforme a norma ASTM D717522. A avaliação reológica concentrou-se no comportamento de fadiga em temperaturas intermediárias, que está estreitamente associado à nucleação e propagação de trincas em pavimentos asfálticos.
O fator de fadiga G*sen δ23, amplamente reconhecido como um indicador de suscetibilidade à fadiga no nível do ligante, foi adotado para quantificar as alterações no comportamento de dissipação viscoelástica induzidas pela modificação com mistura morna e envelhecimento. Testes de varredura de temperatura foram realizados em uma faixa de 58–82 °C, com incrementos de temperatura de 6 °C. Em cada temperatura-alvo, as amostras foram mantidas em equilíbrio por 10 min antes da aquisição de dados, para garantir estabilidade térmica. Para investigar a influência do envelhecimento nas propriedades reológicas, amostras de ligante foram submetidas a três condições de envelhecimento: sem envelhecimento, envelhecimento em forno de filme fino rotativo (RTFOT) e envelhecimento combinado RTFOT e em recipiente sob pressão (PAV) 24. Esses protocolos de envelhecimento foram projetados para simular o envelhecimento a curto prazo durante a produção e colocação, bem como o envelhecimento a longo prazo durante a operação do pavimento em serviço. A evolução de G*sen δ com a temperatura e a condição de envelhecimento foi analisada para avaliar a resistência à fadiga de diferentes ligantes.
Antes de cada teste DSR, a amostra do ligante foi cuidadosamente aparada após o posicionamento entre as placas paralelas, para garantir um perfil de borda uniforme. A amostra foi condicionada na temperatura-alvo durante 10 min antes da medição. Os testes foram realizados na faixa de 58–82 °C em incrementos de 6 °C. Um teste válido foi confirmado quando o torque e o deslocamento medidos permaneceram dentro da faixa de operação recomendada pelo instrumento, e não foi observado deslizamento visível da amostra.
Teste de varredura linear de amplitude (LAS)
A caracterização do comportamento viscoelástico foi realizada de acordo com as especificações da norma ASTM D7175 para análise mecânica dinâmica25. A metodologia experimental incluiu varreduras de amplitude de deformação para estabelecer os limites viscoelásticos lineares, seguidas por testes controlados por frequência a 10 rad/s26. As avaliações dependentes da temperatura abrangeram o espectro de temperatura operacional de pavimentos asfálticos (58–82°C), executadas em incrementos de 6°C, com 10 minutos permitidos para o equilíbrio térmico em cada segmento isotérmico. O protocolo AASHTO T391 foi empregado para quantificar o acúmulo de dano do ligante por meio da evolução da energia dissipada, monitorando especificamente o fator de dissipação viscoelástica (|G*|sin δ) durante o carregamento cíclico 27,28. O modelo Simplificado de Dano Contínuo Viscoelástico (S-VECD) foi adotado para prever os padrões de degradação de compósitos betuminosos29. O protocolo LAS executa uma varredura oscilatória de amplitude em uma frequência fixa de 10 Hz, aplicando uma progressão controlada de deformação de 0,1% a 30% com incrementos de resolução de 0,1%.
Os principais parâmetros viscoelásticos foram derivados usando as seguintes equações:
log G "(ω) = m (log ω) + b (1)
G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)
(3)
onde G''(ω) é o módulo de perda, ω é a frequência angular, m e b são coeficientes de ajuste, G'(ω) é o módulo de armazenamento, G*(ω) é o módulo complexo, δ(ω) é o ângulo de fase e é o índice de viscoelasticidade.
A quantificação dos danos utilizou a relação fundamental expressa na Equação (4):
(4)
Na fórmula: C(t)—o parâmetro de integridade, C(t)=G^* (t)/G^* (Inicial), G^* - módulo complexo (MPa);
γ_0—Aplicação de deformação (%);
t—Duração do teste (s)
A evolução temporal da métrica de dano D(t) e do coeficiente de integridade estrutural C(t) é matematicamente parametrizada por meio de uma relação constitutiva de lei de potência (Yuan 2024):
C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)
Na fórmula: C0 representa o parâmetro inicial de integridade (normalmente igual a 1) ,C1, C2—parâmetros de ajuste.
Calcule o valor do dano por fadiga utilizando o conceito do ponto de pico da tensão de cisalhamento:
(6)
Cpeak é o parâmetro de integridade correspondente ao ponto de tensão de cisalhamento máxima.
A fórmula de cálculo da vida útil à fadiga é:
Nf = A(γmax)-B (7)
Na fórmula: A, B—coeficiente relacionado à fadiga,
A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)
B=2a, frequência de carregamento;
γmax — nível máximo de deformação esperado (%)
Para garantir a confiabilidade e a reprodutibilidade dos resultados experimentais, todos os ensaios em escala de ligante e em escala de mistura foram realizados com pelo menos 3 réplicas independentes (n = 3) por condição. Os resultados apresentados representam os valores médios das medições replicadas. A variabilidade dos dados experimentais foi avaliada utilizando o desvio padrão (SD), e barras de erro são fornecidas em todas as figuras relevantes para refletir a dispersão estatística. Para os parâmetros LAS–S-VECD, índices reológicos do DSR e vida em fadiga obtidos nos ensaios de flexão em quatro pontos, o coeficiente de variação (COV) foi adicionalmente calculado para avaliar a consistência dos dados.
Em todos os casos, foram examinadas as diferenças estatísticas entre ligantes modificados e não modificados para garantir que as tendências observadas não se devam à dispersão experimental, mas representem diferenças estatisticamente significativas no comportamento de fadiga e reológico.
Ensaio de fadiga por flexão em quatro pontos
Para validar indicadores de fadiga em nível do ligante e estabelecer correlações entre escalas, foram realizados ensaios de fadiga por flexão em quatro pontos em misturas asfálticas preparadas utilizando uma graduação AC-16C30,31. A graduação dos agregados, densidade aparente, gravidade específica aparente, absorção de água de cada fração granulométrica, juntamente com as propriedades do filler mineral, estão resumidas na Tabela 2. O teor de asfalto de todas as misturas foi fixado em 4,8% para garantir consistência entre diferentes formulações de AMF.
| Tamanho da Peneira (mm) | Categoria de Agregado | Graduação Sintética (%) | ||||
| 1# (10~20mm. 29%) | 2# (5~10mm. 29,2%) | 3# (3~5mm. 17%) | 4# (0~3mm. 19%) | Pó Mineral (5,8%) | ||
| 0,075 | 0 | 0,1 | 0 | 0,9 | 90,8 | 5,5 |
| 0,15 | 0,1 | 0,1 | 0 | 4,9 | 95,3 | 6,5 |
| 0,3 | 0,1 | 0,2 | 0 | 13 | 98,7 | 8,3 |
| 0,6 | 0,1 | 0,2 | 0 | 25,2 | 99,7 | 10,6 |
| 1,18 | 0,1 | 0,2 | 0 | 47,8 | 100 | 15 |
| 2,36 | 0,1 | 0,5 | 0 | 100 | 100 | 25 |
| 4,75 | 0,8 | 15,5 | 98,9 | 100 | 100 | 46,4 |
| 9,5 | 15,2 | 99,5 | 100 | 100 | 100 | 75,2 |
| 13,2 | 68,4 | 99,8 | 100 | 100 | 100 | 90,8 |
| 16 | 94,8 | 100 | 100 | 100 | 100 | 98,5 |
| 19 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Densidade Relativa Aparente | 2,899 | 2,918 | 2,845 | 2,754 | 2,872 | 2,865 |
| Densidade Relativa SSD | 2,854 | 2,847 | 2,816 | 2,691 | － | 2,814 |
| Gravidade Específica Aparente | 2,829 | 2,81 | 2,8 | 2,655 | － | 2,787 |
| Taxa de Absorção de Água do Agregado (%) | 0,85 | 1,32 | 0,56 | 1,36 | － | － |
Tabela 2: Classificação dos agregados na mistura asfáltica a quente. A Tabela 2 apresenta a granulometria dos agregados na mistura asfáltica a quente, incluindo as proporções das diferentes frações de agregado, o teor de pó mineral, a curva granulométrica sintética e as propriedades físicas dos agregados. A tabela apresenta a distribuição granulométrica projetada e as características básicas dos agregados utilizados na mistura asfáltica.
Testes de fadiga por flexão de quatro pontos foram realizados utilizando um equipamento de ensaio Cooper sob condições de carregamento controlado por deformação para avaliar a durabilidade à fadiga de misturas de concreto asfáltico morno (WMA)32. O critério de falha foi definido como o número de ciclos de carregamento necessários para que a rigidez à flexão diminuísse para 50% de seu valor inicial. De acordo com o protocolo de ensaio estabelecido33, o carregamento cíclico foi aplicado na forma de uma onda senoidal contínua com frequência de 10 Hz sob condições isotérmicas de 15 °C. Todos os ensaios foram conduzidos sem períodos de repouso para garantir uma entrada contínua de energia durante o carregamento por fadiga34,35.
Corpos de prova em forma de viga foram fabricados de acordo com os requisitos dimensionais padrão, com comprimento de 381 ± 6,35 mm, largura de 63,5 ± 6,35 mm e altura de 50,8 ± 6,35 mm3637. Em condições controladas por deformação, o desempenho à fadiga foi caracterizado pela plotagem de curvas características de fadiga para corpos de prova com diferentes formulações de WMA em um sistema de coordenadas log-log38. Uma relação constitutiva do tipo potência foi posteriormente estabelecida, e a análise de regressão não linear foi utilizada para ajustar os dados de fadiga das várias misturas asfálticas, fornecendo a base para a modelagem da vida útil à fadiga e análise comparativa subsequente39,40,41. O corpo de prova em viga foi montado simetricamente no dispositivo de flexão de quatro pontos, e o contato entre as braçadeiras de carregamento e a superfície do corpo de prova foi verificado antes do carregamento. O ensaio foi realizado a 15 °C sob carregamento senoidal controlado por deformação a 10 Hz, sem períodos de repouso. O ponto final do ensaio foi definido como o número de ciclos no qual a rigidez à flexão diminuiu para 50% do seu valor inicial. Os ensaios foram considerados válidos quando a ruptura ocorreu dentro da seção útil, e não foi observado deslizamento anormal das braçadeiras ou fratura súbita não relacionada à fadiga. Todos os dados quantitativos são apresentados como média ± desvio padrão (média ± DP), com tamanho da amostra n = 3 para todos os grupos experimentais, salvo indicação em contrário.
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Resultados
Propriedades reológicas de WMA
A zona interfacial entre asfalto e agregado é amplamente reconhecida como o local primário de início de trincas por fadiga. Assim, o parâmetro reológico relacionado à fadiga G*sin δ, medido em temperaturas intermediárias de serviço, foi empregado para avaliar o desempenho à fadiga de ligantes de asfalto morno (WMA). Figura 1 apresenta a variação de G*sin δ para os ligantes originais e mod...
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Discussão
Este estudo propõe um framework de avaliação da fadiga em múltiplas escalas que integra ensaios de Varredura de Amplitude Linear (LAS) em nível do ligante com o modelo de Dano Viscoelástico Contínuo Simplificado (S-VECD) e ensaios de fadiga por flexão em quatro pontos em nível da mistura, com o objetivo de estabelecer uma ligação mecanicista entre a evolução do dano no ligante asfáltico e o desempenho à fadiga da mistura. Diferentemente das abordagens convencionais de avaliação da fadiga, que dependem principalmente de i...
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Divulgações
Os autores declaram não haver conflito de interesses.
Agradecimentos
Agradecemos ao Departamento Provincial de Transportes de Zhejiang pelo Major R&D project. Esta pesquisa foi financiada por um grande R&Projeto #38;D do Departamento de Transportes da Província de Zhejiang (ZJXL-SJT-202316A).
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Agente ligante A / AO, asfalto Karamay | Fonte de petróleo bruto de Karamay, China | N/A | Ligante asfáltico base |
| Agente ligante B / BO, asfalto CNOOC 36-1 | Fonte de petróleo bruto offshore CNOOC 36-1, China | N/A | Ligante asfáltico base |
| Agente ligante C / CO, asfalto PetroChina | Fonte baseada em petróleo bruto PetroChina / Boscan venezuelano | N/A | Ligante asfáltico base |
| Aditivo para mistura morna Evotherm M1 | Ingevity / MeadWestvaco | Evotherm M1 | Aditivo para mistura morna no preparo de ligantes WMA |
| Reômetro de cisalhamento dinâmico | Malvern | Kinexus DSR+ | Utilizado para ensaios de varredura de temperatura no DSR e testes LAS |
| Aparelho para ensaio de forno de filme fino rotativo | Shanghai Changji | SYD-0610 | Utilizado para envelhecimento a curto prazo |
| Recipiente de envelhecimento sob pressão | InstroTek | PAV-9300 | Utilizado para envelhecimento a longo prazo |
| Sistema de ensaio de fadiga por flexão em quatro pontos | Cooper Research Technology | SA4PT | Utilizado para ensaios de fadiga controlados por deformação em misturas |
| Estrutura analítica S-VECD | Análise de dados | N/A | Utilizada para calcular parâmetros de dano derivados do LAS |
| Software de análise de dados | Origin | OriginPro 2024 | Utilizado para ajuste de regressão, análise de correlação e geração de gráficos |
Referências
- Autelitano F, Bianchi F, Giuliani F. Airborne emissions of asphalt/wax blends for warm mix asphalt production. J Clean Prod. 2017;164:749-756.
- Bairgi BK, Mannan UA, Tarefder RA. Influence of foaming on tribological and rheological characteristics of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2019;205:186-195.
- Chen H, Bahia HU. Modeling effects of aging on asphalt binder fatigue using complex modulus and the Linear Amplitude Sweep test. Int J Fatigue. 2021;146:106150.
- Cui B, Gu X, Hu D, et al. A multiphysics evaluation of the rejuvenator effects on aged asphalt using molecular dynamics simulations. J Clean Prod. 2020;259:120629.
- Diab A, You Z. Rheological characteristics of nano-sized hydrated lime-modified foamed warm mix asphalt. Pavement Materials, Structures, and Performance. 2014:79-89.
- Dong F, Yu X, Wang T, et al. Influence of base asphalt aging levels on the foaming characteristics and rheological properties of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2018;177:43-50.
- Fang Y, Zhang Z, Zhang H, et al. Analysis of wetting behavior and its influencing factors of rejuvenator/old asphalt interface based on surface wetting theory. Constr Build Mater. 2022;314:125674.
- Ferrotti G, Mancinelli E, Passerini G, et al. Comparison of energy and environmental performance between warm and hot mix asphalt concrete production: A case study. Constr Build Mater. 2024;418:135453.
- Gao Z, Fu H, Chen Q, et al. Rheological properties and viscosity reduction mechanism of SBS warm-mix modified asphalt. Pet Sci Technol. 2020;38(6):556-564.
- Ge J, Yu H, Qian G, et al. Enhancement mechanism of aggregate surface roughness structure on interfacial properties of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;449:138388.
- Guo M, Tan Y, Wang L, et al. A state-of-the-art review on interfacial behavior between asphalt binder and mineral aggregate. Front Struct Civ Eng. 2018;12:248-259.
- Hu J, Ma T, Yin T, et al. Foamed warm mix asphalt mixture containing crumb rubber: Foaming optimization and performance evaluation. J Clean Prod. 2022;333:130085.
- Huang W, Guo Y, Zheng Y, et al. Chemical and rheological characteristics of rejuvenated bitumen with typical rejuvenators. Constr Build Mater. 2021;273:121525.
- Wang C, Chen Y, Xie W. A comparative study for fatigue characterization of asphalt binder using the linear amplitude sweep test. Mater Struct. 2020;53:101.
- Jiang Q, Li N, Yang F, et al. Rheology and volatile organic compounds characteristics of warm-mix flame retardant asphalt. Constr Build Mater. 2021;298:123691.
- Kheradmand B, Muniandy R, Hua LT, et al. An overview of the emerging warm mix asphalt technology. Int J Pavement Eng. 2014;15(1):79-94.
- Li B, Li N, Yu X, et al. Evaluation of the field-aged performance of foamed warm mix asphalt: Comparisons with hot mix asphalt. Case Stud Constr Mater. 2023;18:e01750.
- Doković K, Tošović S, Janković K, Šušić N. Physical-mechanical properties of cement stabilized RAP/crushed stone aggregate mixtures. Teh Vjesn. 2019;26(2):385-390.
- Liu H, Zhang Z, Li N, et al. Effect of organic montmorillonite on rheological properties of sasobit warm-mix asphalt and analysis of its ultraviolet aging behaviors. J Mater Civ Eng. 2022;34(12):04022339.
- Liu N, Liu L, Li M, et al. A comprehensive review of warm-mix asphalt mixtures: Mix design, construction temperatures determination, performance, and life-cycle assessment. Road Mater Pavement Des. 2024;25(7):1381-1425.
- Madeira NC, Ferreira PDS, Allochio Filho JOF, et al. Study of thermal aging of model compounds present in asphalt cement by GC/MS, ESI-MS, NMR, and FTIR. Energy Fuels. 2021;35(18):14553-14568.
- Menapace I, Cucalon LG, Kaseer F, et al. Application of low-field nuclear magnetic resonance to evaluate asphalt binder viscosity in recycled mixes. Constr Build Mater. 2018;170:725-736.
- Pouranian MR, Notani MA, Tabesh MT, et al. Rheological and environmental characteristics of crumb rubber asphalt binders containing non-foaming warm mix asphalt additives. Constr Build Mater. 2020;238:117707.
- Qu X, Wang D, Wang L, et al. The State-of-the-Art Review on Molecular Dynamics Simulation of Asphalt Binder. Adv Civ Eng. 2018;1:4546191.
- Sabouri M, Mirzaiyan D, Moniri A. Effectiveness of Linear Amplitude Sweep (LAS) asphalt binder test in predicting asphalt mixtures fatigue performance. Constr Build Mater. 2018;171:281-290.
- Shi C, Ge J, Yu H, et al. Interfacial adhesion properties and debonding mechanisms in rejuvenated asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;425:135973.
- Sukhija M, Saboo N, Pani A. Effect of warm mix asphalt (WMA) technologies on the moisture resistance of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2023;369:130589.
- Sun X, Guo D, Li J, et al. Compaction Characteristics of a Foam Asphalt Hot In-Place Recycling Asphalt Mixture. Buildings. 2023;14(1):58.
- Tang N, Yang K-K, Alrefaei Y, et al. Reduce VOCs and PM emissions of warm-mix asphalt using geopolymer additives. Constr Build Mater. 2020;244:118338.
- Wang W, Cheng H, Sun L, et al. Multi-performance evaluation of recycled warm-mix asphalt mixtures with high reclaimed asphalt pavement contents. J Clean Prod. 2022;377:134209.
- Xia W, Dong M, Xu T. Synergistic suppressions of porous warm mix agent and composite flame retardant on combustion and fume release of asphalt pavement. J Clean Prod. 2024;443:141003.
- Xiu M, Wang X, Morawska L, et al. Emissions of particulate matters, volatile organic compounds and polycyclic aromatic hydrocarbons from warm and hot asphalt mixes. J Clean Prod. 2020;275:123094.
- Zhang M, Li W, Li Y, Ma Q, Zhao G. Preparation of low rolling resistance modified asphalt and analysis of its rolling resistance and viscoelasticity. Teh Vjesn. 2021;28(4):1297-1305.
- Yao Y, Chen H, Li G, et al. Effect of asphalt surface properties and genetic components on ice-asphalt interface adhesion behaviors. Constr Build Mater. 2025;471:140635.
- Yu S, Shen S, Steger R, et al. Effect of warm mix asphalt additive on the workability of asphalt mixture: From particle perspective. Constr Build Mater. 2022;360:129548.
- Yuan H, Liu J, Ding H, et al. Evaluation of physical hardening of wax-based warm mix asphalt binders from low-temperature rheological properties. Constr Build Mater. 2024;419:135496.
- Zhang S, Wang D, Guo F, et al. Properties investigation of the SBS modified asphalt with a compound warm mix asphalt (WMA) fashion using the chemical additive and foaming procedure. J Clean Prod. 2021;319:128789.
- Medjdoub A, Abdessemed M. Tests on the influence of cyclic loading and temperature on the behavior of flexible pavement reinforced by geogrids with numerical simulation. Teh Vjesn. 2023;30(2):521-529.
- Milad A, Babalghaith AM, Al-Sabaeei AM, et al. A comparative review of hot and warm mix asphalt technologies from environmental and economic perspectives: towards a sustainable asphalt pavement. Int J Environ Res Public Health. 2022;19(22):14863.
- Zhang F, Zhu J, Sun Y, et al. Effect analysis of using tall oil pitch (TOP) to partially extend bitumen in asphalt pavements: Comparison of different TOPs. Road Mater Pavement Des. 2025:1-20.
- Zhang F, Cannone Falchetto A, Wang D, et al. Prediction of asphalt rheological properties for paving and maintenance assistance using explainable machine learning. Fuel. 2025;396:135319.
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