Desenvolvimento de betumes modificados inovadores para misturas betuminosas sustentáveis

Abstract

As novas metas ambientais no que concerne à conservação dos recursos naturais e à valorização de resíduos têm servido de motivação para vários estudos científicos de diferentes áreas de investigação. Nesse sentido, no domínio da indústria da pavimentação rodoviária, que consome imensos recursos naturais, tem sido investigada a incorporação de diferentes resíduos em misturas betuminosas de modo a desenvolver soluções mais sustentáveis. Sendo o betume um dos materiais mais valiosos utilizados na pavimentação é fundamental o estudo de novos ligantes que permitam reduzir a quantidade de betume novo utilizado, quer pela reutilização de betume envelhecido (reciclagem), quer pela adição de alguns resíduos, pelas vantagens económicas e ambientais associadas. Deste modo, o principal objetivo deste trabalho consiste em desenvolver betumes inovadores que maximizem a utilização de resíduos, particularmente óleo de motor usado e fundo de coluna de destilação (substitutos parciais do betume), para a produção de misturas betuminosas convencionais e recicladas mais sustentáveis. Este trabalho pretende assim desenvolver novas soluções para pavimentação, que aliem o desempenho técnico e a viabilidade económica aos benefícios ambientais que resultam da utilização de resíduos industriais e material fresado em misturas betuminosas. Adicionalmente, pretende garantir-se que estas soluções com elevada incorporação de resíduos não apresentem riscos associados à sua utilização, quer ao nível dos seus lixiviados, quer das suas emissões de dióxido de carbono. Para a concretização deste trabalho, foi realizada a caracterização térmica, química e física dos diferentes materiais a utilizar nos betumes modificados com resíduos e nas misturas betuminosas. Além disso, de modo a verificar a dispersão do polímero no betume com óleo de motor usado, foram avaliados através de microscopia de fluorescência diferentes procedimentos de produção dos betumes modificados. Desta forma, foi possível minimizar o tempo e/ou a temperatura de digestão e obter uma dispersão mais eficaz do polímero no betume com óleo de motor usado. Em seguida, os betumes modificados com várias percentagens dos diferentes resíduos (óleo/fundo de coluna e polímeros) foram avaliados através de ensaios de caracterização básica e reológica, tendo sido selecionados aqueles cujas características foram mais promissoras. Os betumes selecionados foram ainda avaliados a nível térmico, químico e quanto à resistência ao envelhecimento. Em seguida, foram produzidas misturas convencionais e recicladas do tipo Stone Mastic Asphalt (SMA) com estes betumes inovadores modificados com resíduos, que foram avaliadas quanto ao seu desempenho mecânico e superficial. Finalmente, a sustentabilidade destas soluções foi analisada no que respeita à produção de lixiviados, emissões de dióxido de carbono, e quanto à sua viabilidade económica. Os resultados deste estudo confirmam que os betumes inovadores modificados com resíduos desenvolvidos neste trabalho permitem produzir misturas convencionais e recicladas mais sustentáveis, que aliam um bom desempenho mecânico com benefícios económicos e ambientais. Estes betumes modificados com resíduos exibem menor suscetibilidade térmica, sendo mais resistentes à deformação permanente a elevadas temperaturas e mais flexíveis a temperaturas mais baixas. Quando utilizados nas misturas betuminosas, a maioria dos betumes modificados com resíduos aumenta a resistência à ação da água, à deformação permanente e ao fendilhamento por fadiga, sem comprometer as características superficiais das misturas. Apesar de se ter desenvolvido neste trabalho vários ligantes inovadores mais sustentáveis do que o betume convencional, aqueles que apresentam os resultados mais promissores a nível mecânico, económico e ambiental são os betumes modificados com resíduos de polietileno de alta densidade e óleo de motor usado ou fundo de coluna. De facto, ao comparar estruturas de pavimentos com um desempenho equivalente, as misturas com estes ligantes apresentam em geral os custos e as emissões de dióxido de carbono mais baixos de todas as soluções analisadas.

The new environmental targets related to conserving the natural resources and recovering the waste materials have been the basis for several scientific studies in different research areas. Therefore, in the road paving industry field, which consumes massive amounts of natural resources, the incorporation of different waste materials in asphalt mixtures has been investigated in order to develop more sustainable solutions. As bitumen is one of the most valuable materials used in pavements, the study of new binders that incorporate a lower amount of new bitumen is essential, both by reusing aged bitumen (recycling) and by adding some waste materials, due to the associated economic and environmental advantages. Thus, the main aim of this study is the development of innovative modified bitumens that maximize the use of waste materials, especially waste engine oil and recycled engine oil bottoms (partial replacements for bitumen), to produce more sustainable conventional and recycled asphalt mixtures. With this work, new solutions for road paving materials, combining adequate performance and economic viability with environmental advantages that result from the use of industrial waste and reclaimed asphalt materials in asphalt mixtures, shall be developed. Ultimately, this work should assure that these solutions with high incorporation of waste materials do not present risks related to their use, either from their leachates or from their carbon dioxide emissions. For the accomplishment of this work, thermal, chemical and physical characterisation of the materials used in the modified bitumens with waste materials and in the asphalt mixtures was carried out. Additionally, different bitumen modification procedures were evaluated through fluorescence microscopy tests to verify the polymer dispersion in the blend of bitumen and waste engine oil. Thus, it was possible to minimize the digestion time and/or temperature and to obtain a more effective polymer dispersion in the blend of bitumen and waste engine oil. Afterwards, several modified bitumens with different amounts of waste materials (waste engine oil/recycled engine oil bottoms and polymers) were evaluated through basic and rheological characterization, and those with the most promising properties were selected. The selected bitumens were further characterised regarding their thermal, chemical and aging resistance behaviour. Then, conventional and recycled Stone Mastic Asphalt (SMA) mixtures produced with those innovative bitumens modified with waste materials were evaluated regarding their mechanical and surface performance. Finally, the sustainability of these solutions was analysed in relation to their leachates production, carbon dioxide emissions and economic viability. The results from this study confirm that the innovative bitumens modified with waste materials developed in this work are able to produce more sustainable conventional and recycled asphalt mixtures, which combine a good mechanical performance with economic and environmental benefits. These binders present lower thermal susceptibility, being more resistant to permanent deformation at high temperatures and more flexible at lower temperatures. When used in asphalt mixtures, the majority of the bitumens modified with waste materials increases the water sensitivity, permanent deformation and fatigue cracking resistances, without compromising their surface characteristics. Although several innovative binders that are more sustainable than the conventional bitumen have been developed in this study, those modified with waste high density polyethylene and waste engine oil or recycled engine oil bottoms have presented the most promising results at the mechanical, economic and environmental levels. Indeed, when comparing pavement structures with equivalent performance, the asphalt mixtures with these modified bitumens have generally shown the lowest costs and carbon dioxide emissions amongst all analysed solutions.