Aplicação de betume-espuma e rejuvenescedores em misturas betuminosas recicladas - desenvolvimento de soluções para otimização do seu desempenho

Abstract

As questões ambientais assumem um papel essencial para a sociedade atual, e nesse sentido, o desenvolvimento de novas tecnologias que permitam melhorar a sustentabilidade da indústria de pavimentação é cada vez mais pertinente. Dado que, nos países desenvolvidos, a maior parte dos trabalhos realizados nessa área consistem na reabilitação de pavimentos, existe a necessidade de adaptar essa atividade à economia circular, reutilizando os materiais existentes no pavimento quando este atingir o final do seu ciclo de vida. Assim, a reciclagem de misturas betuminosas tem vindo a assumir um interesse crescente da comunidade científica, pelo seu papel fundamental na redução do consumo de recursos naturais e da produção de resíduos. Nesse sentido, atualmente procura-se maximizar a taxa de incorporação de materiais fresados de pavimentos em novas misturas betuminosas, o que traz novos desafios ao nível da sua produção. De facto, para atingir essas taxas é necessário utilizar temperaturas muito elevadas, às quais estão associados consumos de energia e emissões de gases de efeito de estufa significativos. Para minimizar esses efeitos existem tecnologias que permitem reduzir a temperatura de produção, que podem ser aplicadas juntamente com a reciclagem de elevadas quantidades de material fresado, das quais se destaca a tecnologia de betume-espuma. Esta utiliza apenas com uma pequena quantidade de água para expandir o betume, reduzindo a sua viscosidade de forma a envolver adequadamente os agregados a temperaturas muito inferiores. Tendo em conta os desafios anteriores, a presente tese tem como objetivo realizar um estudo detalhado sobre a reciclagem de misturas betuminosas com elevadas taxas de incorporação de material fresado (até 50 %), com grande enfoque na utilização da tecnologia de betume-espuma como solução para minimizar a temperatura de produção das misturas recicladas. Além disso, também se pretende avaliar a utilização de rejuvenescedores em misturas recicladas produzidas a quente, como solução que pode ser utilizada de forma mais generalizada quando não for possível usar a tecnologia de betume-espuma. No decorrer dos trabalhos começou por efetuar-se uma análise completa do material fresado, para uma incorporação mais eficaz em misturas betuminosas recicladas. Depois estudou-se a utilização de rejuvenescedores para melhoria do desempenho de misturas recicladas a quente com 30 e 50% de material fresado. Em seguida estudou-se a tecnologia de betume-espuma em detalhe de forma a contribuir para um maior conhecimento na sua aplicação em misturas recicladas. O estudo desta técnica incluiu a avaliação das propriedades de expansão e das curvas de decaimento do betume-espuma, bem como a determinação da redução da temperatura de produção com ensaios de compactabilidade, para se conseguir determinar as melhores condições de produção destas misturas. Por último, procedeu-se à análise de desempenho das misturas recicladas com betume-espuma, que foi comparado com o das misturas equivalentes produzidas a quente, e procedeu-se à aplicação da tecnologia de betume-espuma em central. No final deste estudo, foi possível obter misturas com betume-espuma e com incorporação de elevadas taxas de reciclagem (30 e 50%), produzidas a temperaturas significativamente mais baixas (temperatura dos agregados diminuiu entre 20 e 40 °C), mas com um desempenho idêntico ao das misturas produzidas a quente. Adicionalmente, para as misturas betuminosas recicladas a quente concluiu-se que o uso de rejuvenescedores não é necessário para taxas de reciclagem até 30%, mas é aconselhado (2 a 3%) ao incorporar 50% de material fresado.

Nowadays, the environmental issues play a key role for the society, and thus, the development of new technologies to improve the sustainability of the paving industry is increasingly relevant. Given that, in developed countries, most of the work carried out in this area is related to pavement rehabilitation, there is a need to adapt this activity to the circular economy, reusing pavement materials when it reaches the end of its life cycle. Therefore, recycling of asphalt mixtures has assumed an increasing interest of the scientific community, due to its fundamental role in reducing the consumption of natural resources and the production of waste. Taking the abovementioned into account, maximization of reclaimed asphalt pavement material incorporation rates into new asphalt mixtures is currently being targeted, which presents new production challenges. In fact, to achieve these rates, it is necessary to use very high temperatures, which are associated with significant energy consumption and greenhouse gas emissions. To minimize these effects, there are technologies that allow the reduction of the production temperature, which can be applied together with the recycling of high quantities of reclaimed asphalt pavement material, of which foamed bitumen technology stands out. It uses only a small amount of water to expand the bitumen, reducing its viscosity in order to properly coat the aggregates at much lower temperatures. Considering the previous challenges, this thesis aims to carry out a detailed study on the recycling of asphalt mixtures with high reclaimed asphalt pavement incorporation rates (up to 50%), with a great focus on the use of foamed bitumen technology as a solution to minimize the production temperature of the recycled mixtures. In addition, it is also intended to evaluate the use of rejuvenators in hot-recycled blends, as a solution that can be more widely used when foamed bitumen technology cannot be used. In the course of the work, a complete analysis of reclaimed asphalt pavement material was made, for a more efficient incorporation in recycled asphalt mixtures. Then, the use of rejuvenators was studied to improve the performance of hot recycled mixtures with 30 and 50% of reclaimed asphalt pavements. Next, foamed bitumen technology was studied in detail in order to contribute to a better knowledge of its application in recycled mixtures. The study of this technology included the evaluation of the expansion properties and the decay curves of the foamed bitumen, as well as the assessment of the production temperature reduction based on compactability tests, in order to determine the best production conditions for these mixtures. Finally, the performance of the recycled mixtures with foamed bitumen was evaluated and compared with that of equivalent hot mixtures, and the foamed bitumen technology was tested in an asphalt plant. At the end of this study, it was possible to obtain asphalt mixtures with foamed bitumen incorporating high recycling rates (30 and 50%), produced at significantly lower temperatures (aggregate temperature decreased between 20 and 40 °C), but with a similar performance to that of hot mix asphalts. Additionally, for hot recycled asphalt mixtures it was concluded that the use of rejuvenators is not required for recycling rates up to 30%, but it is expected to be used (2 to 3%) when incorporating 50% of reclaimed asphalt pavements.