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

Resumo

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.

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 temperatura^5,6. 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 loco^11,12. 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 fadiga^17,18,19. 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.

Protocolo

Materiais
Os três ligantes asfálticos selecionados neste estudo, conforme resumido na Tabela 1, são ligantes pavimentares representativos derivados de diferentes fontes de petróleo bruto e têm sido amplamente utilizados na engenharia rodoviária prática na China. O asfalto Karamay, o asfalto CNOOC 36-1 e o asfalto 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 à fadiga dependente da fonte do 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 técnica da proposta de estrutura de caracterização da fadiga em múltiplas escalas. As origens geológicas detalhadas e as características químicas de cada ligante são as seguintes:

Agente aglutinante 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 distintivas, incluindo baixo teor de parafina (<2%), concentração mínima de enxofre e alta composição de resinas. Notavelmente, o asfalto de Karamay é o único aglutinante para pavimentação com gravidade específica abaixo de 1 g/cm³ nas aplicações de engenharia atuais, e apresenta viscosidade dinâmica superior e excelente retenção de ductilidade após envelhecimento. Essas características o tornam particularmente adequado para regiões submetidas 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, alcançando um rendimento de produção de 60% por meio de processos especializados de refino. Esse petróleo bruto apresenta características geoquímicas únicas, incluindo alto teor de ácidos, concentrações significativas de metais pesados e elevado 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 parafinas (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 Ligantes em Obras Rodoviárias.

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 sob envelhecimento a curto prazo, para avaliar suas propriedades fundamentais e durabilidade.

O processo de preparação do WMA envolveu um protocolo estritamente controlado em múltiplas etapas, projetado para garantir a reprodutibilidade da modificação do agente ligante. O agente ligante base foi primeiramente aquecido em uma estufa com convecção forçada a 135 ± 2 °C por 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 de alta cisalhamento, garantindo a dispersão inicial da fase tensioativa. Posteriormente, a mistura de alta cisalhamento foi realizada usando um homogeneizador rotor-estator a 3000 rpm durante 25 min, mantendo-se a temperatura do ligante entre 135–140 °C por meio de um sistema de controle de temperatura com 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 de mistura morna (WMA).

Testes com 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 com 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 no 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, a fim de garantir um perfil de borda uniforme. A amostra foi condicionada à temperatura-alvo por 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 medido e o deslocamento permaneceram dentro da faixa operacional recomendada pelo instrumento, e não ocorreu 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 no 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 Viscoelástico Contínuo (S-VECD) foi adotado para prever os padrões de degradação de compósitos betuminosos²⁹. O protocolo LAS realiza uma varredura oscilatória de amplitude em uma frequência fixa de 10 Hz, aplicando um aumento controlado de deformação de 0,1% a 30% com incrementos de resolução de 0,1%.

Os principais parâmetros viscoelásticos foram derivados utilizando as seguintes equações:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

(3)

em que 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 ensaio (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 × D^C₂ (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:

N_f = A(γ_max)^-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;
γ_max — 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 de 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 diferentes escalas, foram realizados ensaios de fadiga por flexão em quatro pontos em misturas asfálticas preparadas utilizando uma graduação AC-16C^30,31. A granulometria 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 de asfalto morno. A Tabela 2 apresenta a granulometria dos agregados na mistura de asfalto morno, incluindo as proporções de diferentes frações de agregado, o teor de pó mineral, a curva granulométrica sintética e as propriedades físicas dos agregados. A tabela apresenta a distribuição projetada do tamanho das partículas 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% do seu valor inicial. De acordo com o protocolo de ensaio estabelecido³³, aplicou-se carregamento cíclico 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 entrada contínua de energia durante o carregamento por fadiga^34,35.

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 por meio da 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 diversas misturas asfálticas, fornecendo a base para a modelagem da vida útil à fadiga e para análises comparativas subsequentes^39,40,41. 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 em que 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.

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 mistura morna (WMA). Figura 1 apresenta a variação de G*sin δ para os ligantes originais e modificados a quente das asfaltos A, B e C. Todos os resultados quantitativos são expressos como média ± DP com base em três medições repetidas (n = 3). As comparações estatísticas entre os ligantes originais e os modificados por mistura quente, à mesma temperatura, foram realizadas utilizando o teste t para amostras independentes, e as diferenças foram consideradas significativas em p < 0,05. Como mostrado em Figura 1, G*sin δ diminui continuamente com o aumento da temperatura para todos os ligantes asfálticos, indicando uma rigidez reduzida relacionada à fadiga em temperaturas intermediárias mais elevadas. Para o Asfalto A, o AP apresenta um valor significativamente mais alto Gsen δ valores superiores aos do AO ao longo da faixa de temperatura testada de 16–25 ˚C (p = 0,025 (intervalo: 0,018–0,032)), diminuindo de 7685 ± 126 para 2480 ± 84 kPa, enquanto AO diminui de 5580 ± 112 para 1535 ± 76 kPa. De forma semelhante, BP apresenta significativamente maior Gvalores de sin δ maiores do que BO de 22 a 28 (p = 0,021 (interval: 0,011–0,027)), com a PB diminuindo de 7980 ± 138 para 3985 ± 105 kPa e a BO diminuindo de 6120 ± 120 para 1725 ± 82 kPa. Esses resultados sugerem que o aditivo de mistura morna aumenta o fator de fadiga dos Asfaltos A e B, levando a uma maior dissipação de energia viscosa e potencialmente maior suscetibilidade à fadiga no nível do ligante. Em contraste, o Asfalto C apresenta apenas uma pequena diferença entre CO e CP; embora CP seja marginalmente maior que CO à mesma temperatura, a diferença não é estatisticamente significativa na maioria das temperaturas (p = 0,086–0,214). Especificamente, CP diminui de 13.420 ± 185 para 4420 ± 96 kPa, enquanto CO diminui de 13.080 ± 172 para 4350 ± 91 kPa, indicando que o aditivo morno tem influência limitada no comportamento reológico relacionado à fadiga do Asfalto C. No geral, os três ligantes exibem respostas diferentes à modificação com mistura morna, refletindo a influência da origem do asfalto no desempenho à fadiga. Os asfaltos A e B são mais sensíveis ao aditivo de mistura morna, enquanto o Asfalto C mantém uma resistência à fadiga relativamente estável após a modificação.

Em contraste, o Asfalto C não apresenta mudança significativa em G*sen δ após a modificação com mistura morna, indicando que o aditivo de mistura morna exerce influência limitada sobre suas propriedades reológicas relacionadas à fadiga. Essa observação sugere que a composição química intrínseca do Asfalto C domina sua resposta viscoelástica, reduzindo assim a sensibilidade dos parâmetros relacionados à fadiga à modificação com aditivos. Esses resultados destacam a natureza dependente da origem do óleo do efeito da modificação com mistura morna. Os resultados do ensaio de varredura térmica revelam tendências reológicas consistentes para todos os ligantes testados. Com o aumento da temperatura, o fator de trilha G*/sen δ diminui continuamente, enquanto o ângulo de fase δ aumenta gradualmente, indicando uma transição progressiva para um comportamento dominado pela viscosidade. Temperaturas elevadas intensificam o movimento molecular dentro do ligante, enfraquecem as estruturas elásticas e reduzem a resistência à deformação. Por outro lado, o aumento da severidade do envelhecimento leva a valores mais altos de G*/sen δ e ângulos de fase mais baixos, refletindo maior rigidez e resposta elástica devido ao endurecimento induzido pelo envelhecimento.

Figura 1. Fator de fadiga (G*sin δ) de diferentes ligantes asfálticos em função da temperatura. (A) Asfalto A (Karamay); (B) Asfalto B (CNOOC 36-1); (C) Asfalto C (PetroChina/Venezuelano Boscan). AO, BO e CO indicam os ligantes asfálticos originais, enquanto AP, BP e CP indicam os respectivos ligantes asfálticos de mistura morna. G*sin δ diminui com o aumento da temperatura para todos os ligantes, enquanto a influência da modificação para mistura morna varia conforme a origem do ligante. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

Essas evoluções reológicas podem ser atribuídas às alterações composicionais dos ligantes asfálticos durante o envelhecimento térmico-oxidativo. Componentes de baixo peso molecular são gradualmente transformados em estruturas de maior peso molecular por meio de reações de oxidação e polimerização, aumentando o módulo complexo G*. Ao mesmo tempo, o acúmulo de produtos polares de oxidação potencializa o armazenamento de energia elástica, evidenciado por uma redução no ângulo de fase. À medida que o envelhecimento progride, o ligante torna-se cada vez mais sensível a variações de temperatura, e a dependência térmica dos parâmetros reológicos relacionados à fadiga torna-se mais acentuada.

No geral, os resultados demonstram que a influência da modificação de mistura morna sobre as propriedades reológicas do ligante relacionadas à fadiga depende fortemente da origem do petróleo bruto. Embora o aditivo para mistura morna altere o comportamento de dissipação viscoelástica de certos ligantes, sua eficácia é limitada pela composição intrínseca e pelas características de envelhecimento do asfalto base. Esses achados enfatizam a necessidade de considerar propriedades específicas da fonte de petróleo ao interpretar fatores de fadiga baseados em DSR e ao avaliar o desempenho à fadiga de ligantes de asfalto de mistura morna. O aumento relacionado ao envelhecimento em G·sen δ foi quantificado utilizando os dados brutos de DSR resumidos na Figura 1. As variações percentuais foram calculadas em relação à condição correspondente do ligante não envelhecido.

Varredura linear de amplitude
Os parâmetros principais derivados do quadro S-VECD são resumidos na Tabela 3. O índice de integridade C caracteriza quantitativamente a degradação progressiva de ligantes asfálticos sob carregamento mecânico cíclico, sendo C = 1 o estado inicial, sem danos, e C = 0 correspondente à falha estrutural completa. Além disso, os coeficientes de regressão C₁ e C₂ descrevem a evolução da integridade do material com o aumento dos danos. Valores mais baixos de C₁ e C₂ indicam maior estabilidade estrutural em níveis equivalentes de dano, o que está diretamente associado a uma resistência à fadiga aprimorada na escala do ligante. Conforme mostrado na Tabela 3, o envelhecimento geralmente aumenta C₁ e reduz C₂, sugerindo uma deterioração na evolução da integridade do ligante e na resistência à fadiga. O asfalto de Karamay apresenta a maior resistência ao acúmulo de danos, com os menores valores de C₁ e valores relativamente altos de C₂, enquanto o asfalto da CNPC exibe a tendência oposta, indicando desempenho à fadiga mais fraco.

Tipo de Asfalto	α	C₀	C₁	C₂	A	B
Karamay	1448855	1	0,0144	0,7346	2,93 × 10⁵	2,90 × 10⁶
Karamay Envelhecido	1434103	1	0,0132	0,7412	3,00 × 10⁵	2,87 × 10⁶
CNOOC	1415228	1	0,0178	0,7112	2,25 × 10⁵	2,83 × 10⁶
CNOOC Envelhecido	1400364	1	0,0155	0,7349	2,28 × 10⁵	2,80 × 10⁶
CNPC	1537043	1	0,0335	0,6077	4,38 × 10⁵	3,07 × 10⁶
CNPC Envelhecido	1500600	1	0,0371	0,5822	4,41 × 10⁵	3,00 × 10⁶

Tabela 3: Parâmetros relacionados ao método VECD. A Tabela 3 resume os parâmetros do modelo ajustado para três ligantes asfálticos em condições não envelhecidas e envelhecidas. As variações dos parâmetros refletem os efeitos do tipo de asfalto e do envelhecimento sobre as características do modelo.

Figura 2 ilustra as curvas de evolução do dano de diferentes ligantes asfálticos em condições modificadas convencionais e de mistura morna. Em níveis idênticos de tensão, os sistemas de asfalto morno (WMA) apresentam uma taxa de acúmulo de dano significativamente menor do que seus equivalentes convencionais, indicando uma evolução do dano mais favorável. Esse comportamento sugere que a modificação para mistura morna otimiza o mecanismo de dissipação de energia interna durante o carregamento cíclico, melhorando assim a resistência à fadiga. As variações percentuais nos coeficientes de taxa de dano foram calculadas a partir dos parâmetros S-VECD ajustados listados na Tabela 3, utilizando o ligante não modificado como condição de referência.

Figura 2: Características de resistência à fadiga em diferentes formulações de ligante asfáltico. (A) Asfalto A; (B) Asfalto B; (C) Asfalto C. AO, BO e CO representam as amostras originais de asfalto, enquanto AP, BP e CP indicam as amostras correspondentes de asfalto morno. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

Um exame detalhado dos perfis de evolução de dano revela diferenças acentuadas dependentes do ligante. O asfalto A modificado a quente demonstra resistência à fadiga superior em relação ao ligante não modificado, conforme indicado pela posição mais favorável de sua curva de evolução de dano. Esse resultado confirma que o aditivo a quente melhora efetivamente a durabilidade do asfalto A sob carregamentos repetidos. Em contraste, o asfalto B exibe resposta desprezível à modificação a quente, com ambos os ligantes, modificado e não modificado, apresentando trajetórias de progressão de dano praticamente idênticas. Para o asfalto C, observa-se uma melhoria dependente de um limiar: o ligante modificado a quente supera o asfalto base apenas quando a variável de dano excede 100 unidades, indicando que a eficácia do aditivo é ativada principalmente em estágios avançados de dano.

As comparações quantitativas da vida útil à fadiga derivadas do ensaio LAS são apresentadas na Figura 3. As variações observadas no desempenho à fadiga destacam ainda mais a natureza específica do material na interação entre o aditivo morno e o ligante, cuja eficácia é fortemente determinada pelas características composicionais intrínsecas do asfalto base. Entre os materiais investigados, o asfalto da PetroChina de Qinhuangdao apresenta a maior resistência à fadiga, refletindo vantagens inerentes associadas à composição de sua matéria-prima base. Por outro lado, o asfalto de Karamay mostra a melhoria mais acentuada após a modificação com mistura morna, salientando o papel crucial das propriedades do asfalto base na determinação do potencial de aprimoramento de desempenho dos aditivos para mistura morna.

Figura 3. Comparação da vida útil à fadiga entre asfalto a quente (HMA) e asfalto morno (WMA) para os três tipos de ligantes asfálticos. A vida útil à fadiga difere apenas ligeiramente entre WMA e HMA para os três tipos de ligante. O asfalto C apresenta a maior vida útil à fadiga, seguido pelo asfalto A e pelo asfalto B. De modo geral, os resultados indicam que a modificação para asfalto morno produz apenas um efeito modesto na vida útil à fadiga, sendo a magnitude e a direção dessa alteração dependentes do tipo de ligante. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

Embora a modificação com mistura morna geralmente tenha melhorado o desempenho à fadiga, a magnitude dessa melhoria foi relativamente modesta para alguns ligantes. Esse comportamento pode ser atribuído ao mecanismo do Evotherm M1, que principalmente reduz a temperatura de produção e atenua o envelhecimento oxidativo de curto prazo, em vez de reforçar quimicamente a estrutura do ligante. Portanto, espera-se que o aumento à fadiga seja moderado e fortemente dependente das características intrínsecas do asfalto base. A consistência entre as medições replicadas indica que as tendências observadas são reprodutíveis, apesar da magnitude limitada da melhoria. Para interpretar mais profundamente o comportamento à fadiga dependente do ligante sob uma perspectiva química, analisou-se a influência da composição do petróleo bruto nos parâmetros S-VECD e no desempenho à fadiga. Os três ligantes exibem características composicionais distintas: razões mais altas de aromáticos em relação a saturados estão geralmente associadas a uma melhor redistribuição de tensão e a um acúmulo de dano retardado, enquanto sistemas mais ricos em asfaltenos tendem a acelerar o aumento da rigidez e reduzir a resistência à fadiga.

Neste estudo, o asfalto originário de Karamay apresenta uma fração aromática relativamente mais alta e menor teor de saturados, o que corresponde a taxas de evolução de dano mais baixas (valores reduzidos de C₁) e vida útil à fadiga melhorada tanto nos ensaios LAS quanto em escala de mistura. Em contraste, o ligante proveniente da PetroChina mostra uma proporção mais equilibrada, porém relativamente mais elevada, de saturados, levando a um comportamento intermediário de acúmulo de dano S-VECD. O asfalto derivado da CNOOC, com frações relacionadas à maior polaridade inferidas a partir das características da origem do petróleo bruto, demonstra crescimento mais rápido da rigidez sob carregamento cíclico, refletido em valores mais altos de C₁ e menor vida útil à fadiga. Esses resultados sugerem que o equilíbrio entre aromáticos e saturados rege os caminhos de dissipação de energia viscoelástica e a evolução do dano microestrutural, influenciando diretamente os parâmetros S-VECD e a resistência à fadiga. De modo geral, os resultados atuais devem ser vistos como um arcabouço mecanicamente fundamentado, mas condicionado por limites específicos, e não como um modelo preditivo plenamente universal para todos os sistemas asfálticos.

Resistência à fadiga em escala de mistura
A resistência à fadiga de misturas asfálticas incorporando diferentes tecnologias de asfalto morno (WMA) foi avaliada sistematicamente, e os resultados correspondentes dos ensaios de fadiga são resumidos na Tabela 4. Esses dados quantificam a durabilidade das misturas asfálticas sob carregamento cíclico e revelam diferenças distintas na longevidade à fadiga entre as formulações WMA investigadas. A variabilidade observada indica que o desempenho à fadiga em escala de mistura depende fortemente da composição do material e da tecnologia de asfalto morno.

Tipo de Asfalto	ID da Amostra	Porosidade (%)	Nível de Deformação (με)	Vida em Fadiga (Ciclos)
Karamay	1	4,5	100	22.36.902
	2	4,3	100	18.30.625
	3	3,7	100	19.49.138
	4	4,5	150	3.06.655
	5	5,3	150	3.97.762
	6	4,9	150	2.98.042
CNOOC	1	4,2	200	52.315
	2	5,1	200	58.828
	3	5,3	200	67.762
	4	3,8	75	6.47.145
	5	4,3	75	5.63.675
	6	4,5	75	6.91.698
CNPC	1	3,6	100	47.343
	2	4,1	100	24.149
	3	4,7	100	18.495
	4	3,5	200	4.412
	5	4,1	200	2.269
	6	4,7	200	3.299

Tabela 4: Resultados dos ensaios de fadiga de misturas asfálticas com diferentes tecnologias de WMA. A Tabela 4 resume os resultados dos ensaios de fadiga de misturas asfálticas com diferentes tecnologias de mistura morna, incluindo a vida em fadiga e parâmetros de desempenho relacionados sob diversas condições de ensaio. Os resultados demonstram as diferenças na resistência à fadiga entre as misturas asfálticas de mistura morna e fornecem uma base para avaliar seu desempenho à fadiga.

O desempenho à fadiga de compósitos betuminosos é modelado matematicamente pela Equação (9), que quantifica a degradação da tensão cíclica em materiais de pavimentação. Essa relação formaliza a resposta à fadiga de formulações de asfalto sob condições de carregamento repetido, servindo como uma estrutura computacional para análise de durabilidade:

(9)

Na fórmula: N_f——Vida útil à fadiga da mistura asfáltica;
ε——deformação;
k, n——coeficiente.

Com base na Equação (9), foi realizada uma análise de regressão para cada mistura asfáltica a fim de calibrar os parâmetros correspondentes do modelo de fadiga. Os coeficientes resultantes k e n fornecem uma representação quantitativa das características de degradação por fadiga específicas de cada mistura e permitem a comparação direta do desempenho à fadiga entre diferentes formulações de WMA. Os parâmetros calibrados da equação de fadiga são resumidos na Tabela 5.

Tipos de Asfalto	Equação de Fadiga	k	n	R2
A	y = 2.463 × 1016x−5.029​	2.463 × 1016	5.029	0.993
B	y = 1.713 × 1015x−5.120​	1.713 × 1015	5.12	0.965
C	y = 1.233 × 1019x−5.975​	1.233 × 1019	5.975	0.964

Tabela 5: Parâmetros da equação de fadiga de misturas asfálticas com diferentes tecnologias de WMA. A Tabela 5 resume os parâmetros da equação de fadiga de misturas asfálticas com diferentes tecnologias de mistura morna, incluindo os coeficientes de regressão e os parâmetros do modelo utilizados para descrever a relação entre a vida em fadiga e as condições de carregamento. Esses parâmetros fornecem uma base quantitativa para prever o desempenho em fadiga e comparar a resistência à fadiga de diferentes misturas asfálticas de mistura morna.

Figura 4 apresenta as relações entre vida útil à fadiga e deformação para misturas asfálticas com diferentes tipos de WMA, com base nos modelos de fadiga ajustados. Como esperado, a vida útil à fadiga de todas as misturas diminui sistematicamente com o aumento da amplitude de deformação, o que é consistente com o comportamento clássico de fadiga de compósitos betuminosos. A análise comparativa das curvas de fadiga revela uma hierarquia clara na resistência à fadiga das misturas, com a classificação geral de desempenho determinada como Material C > Material A > Material B. Essa classificação reflete a capacidade relativa de cada mistura de suportar ciclos repetidos de carregamento antes da ruptura e é consistente com os parâmetros de regressão resumidos na Tabela 5.

Figura 4: Padrões de fadiga de misturas asfálticas com diferentes tipos de mistura morna. Conforme mostrado na Figura 4, a vida útil por fadiga de todas as misturas asfálticas diminuiu com o aumento do nível de deformação. Entre as três misturas asfálticas produzidas a quente, a mistura C apresentou a maior resistência à fadiga, seguida pelas misturas A e B. A vida útil por fadiga significativamente maior da mistura C indica que essa tecnologia de mistura morna melhora efetivamente a resistência das misturas asfálticas ao acúmulo de danos por fadiga. Clique aqui para visualizar uma versão ampliada desta figura.

Em condições equivalentes de vazios de ar, a tecnologia WMA proporciona benefícios notáveis no desempenho à fadiga ao reduzir as temperaturas de produção e compactação em aproximadamente 20–30 °C. Essa redução de temperatura atenua o envelhecimento oxidativo de curto prazo dos ligantes asfálticos, que é o principal fator responsável pela embritização de longo prazo. Ao preservar a viscoelasticidade do ligante e sua capacidade de dissipação de tensões, a WMA suprime a iniciação e propagação de microfissuras sob carregamento cíclico. Consequentemente, os danos cumulativos por fadiga são reduzidos, resultando em maior vida útil à fadiga da mistura e em melhor durabilidade do pavimento. Essas vantagens são fundamentais para prolongar a vida útil, reduzir as necessidades de manutenção e permitir o desenvolvimento de infraestruturas de pavimentação mais duráveis e economicamente eficientes. Para examinar a consistência entre o comportamento à fadiga em escala de ligante e em escala de mistura, foram analisadas as correlações entre o fator de fadiga do ligante G*sin δ e a vida útil à fadiga da mistura N_f, conforme mostrado na Figura 5. Observa-se uma relação estatisticamente significativa para todos os ligantes, indicando que as propriedades reológicas do ligante exercem influência mensurável sobre o desempenho à fadiga da mistura. Notavelmente, o Ligante B apresenta uma correlação excepcionalmente forte (R² = 0,99, p < 0,001), sugerindo que G*sin δ atua como um preditor confiável da vida útil à fadiga da mistura para esse material. Em contraste, os Ligantes A e C apresentam correlações comparativamente mais fracas (R² = 0,6051 e 0,7933), o que implica que a reologia do ligante isoladamente não consegue capturar plenamente o comportamento à fadiga da mistura nesses sistemas.

Figura 5: Correlação entre o fator de fadiga do asfalto G*sin δ e a vida útil à fadiga da mistura N_f. (A) Asfalto A; (B) Asfalto B; (C) Asfalto C. A Figura 5 indica que G∗sinδ apresenta uma correlação positiva com a vida útil à fadiga da mistura, sendo o Asfalto B o que exibe maior consistência, seguido pelo Asfalto C e pelo Asfalto A. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

A validação adicional em múltiplas escalas foi realizada correlacionando os parâmetros de evolução do dano no ligante obtidos a partir dos ensaios LAS, interpretados com base na abordagem do Dano Viscoelástico Contínuo Simplificado (S-VECD), com a vida em fadiga da mistura. Como ilustrado na Figura 6, observam-se fortes correlações lineares entre a degradação progressiva do ligante e o desempenho em fadiga da mistura. Para os três ligantes, os coeficientes de correlação excedem 0,9, demonstrando uma ligação robusta e consistente entre as características de dano no nível do ligante e a resistência à fadiga em escala de mistura.

Figura 6: Correlação entre o dano por fadiga do asfalto e a vida útil à fadiga da mistura N_f. (A) Asfalto A; (B) Asfalto B; (C) Asfalto C. Conforme mostrado na Figura 6, o dano por fadiga do asfalto exibiu uma forte correlação positiva com a vida útil à fadiga Nf das misturas asfálticas. Altos coeficientes de determinação foram obtidos para os asfaltos A, B e C, indicando que os parâmetros de dano por fadiga podem caracterizar eficazmente o desempenho à fadiga das misturas asfálticas. Em comparação com o fator convencional de fadiga do ligante G∗senδ, o dano por fadiga fornece uma representação mais direta do comportamento de deterioração por fadiga das misturas asfálticas. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

No geral, os resultados de fadiga em escala de mistura confirmam que o desempenho à fadiga é conjuntamente governado pela composição da mistura, pela tecnologia de mistura morna e pelas características do ligante. Embora indicadores reológicos convencionais apresentem capacidade preditiva limitada para certos ligantes, métricas de dano baseadas em LAS–S-VECD demonstram correlações fortes e consistentes com a vida útil à fadiga da mistura. Esses resultados validam a caracterização de dano em escala de ligante como um substituto eficaz para a avaliação da durabilidade da mistura e fornecem uma base mecanicista para o projeto de pavimentos baseado em desempenho. As respostas distintamente diferentes dos três ligantes asfálticos à modificação com tecnologia de mistura morna podem ser fundamentalmente atribuídas a variações em suas composições químicas derivadas do petróleo bruto e às estruturas coloidais resultantes. Os ligantes asfálticos são normalmente considerados sistemas coloidais compostos por asfaltenos dispersos em uma fase de maltenos, que inclui aromáticos, resinas e saturados. O equilíbrio entre essas frações determina a sensibilidade do ligante a modificadores externos, como aditivos para mistura morna. Para o asfalto Karamay (Ligante A), o teor relativamente alto de resinas e a baixa fração de parafinas levam a uma rede de asfaltenos mais dispersa, com estabilidade estrutural interna mais fraca. Nesse sistema, a introdução do aditivo para mistura morna altera significativamente a viscosidade e a mobilidade molecular, resultando em maior dissipação de energia e valores aumentados de G*sin δ. Isso indica que o aditivo modifica ativamente a interação entre as fases internas, tornando o ligante mais suscetível à deformação cíclica e, assim, acelerando o acúmulo de dano por fadiga em escala de ligante.

Em contraste, o asfalto derivado da CNOOC (Agente Cimentante B) apresenta uma composição mais equilibrada, baseada em naftênicos, com uma estrutura coloidal estável. O equilíbrio entre asfaltenos e resinas neste agente cimentante fornece uma rede interna relativamente robusta, a qual limita a penetração e a influência estrutural do aditivo de mistura morna. Como resultado, observam-se mudanças mínimas no comportamento reológico e na evolução do dano, indicando que o efeito do aditivo é amplamente restrito pela estabilidade intrínseca da microestrutura do agente cimentante. Para o asfalto derivado da PetroChina (Agente Cimentante C), as frações relacionadas à maior polaridade e a complexidade aumentada dos asfaltenos resultam em uma microestrutura mais rígida e propensa à agregação. Nesse caso, o aditivo de mistura morna parece exibir um comportamento de ativação dependente de limiar, no qual sua influência torna-se mais acentuada apenas após uma acumulação significativa de dano. Isso sugere que o aditivo não interage fortemente com a estrutura coloidal inicial, mas afeta o processo de evolução do dano em estágios posteriores, modificando os caminhos de redistribuição de tensões.

No geral, esses resultados demonstram que a eficácia da modificação por mistura morna não é universal, mas fortemente determinada pela estabilidade coloidal intrínseca e pela composição química do asfalto base. As diferenças observadas na evolução do dano S-VECD e no desempenho à fadiga da mistura podem, portanto, ser diretamente associadas à heterogeneidade microestrutural dos três ligantes, fornecendo uma explicação mecanicista para o comportamento dependente da fonte do óleo observado tanto nos ensaios reológicos quanto nos de fadiga.

DISPONIBILIDADE DE DADOS:
Todos os dados, modelos e códigos gerados ou utilizados durante o estudo estão disponíveis na pasta suplementar denominada “Raw data”.

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 indicadores reológicos empíricos, como G*·sin δ, o framework proposto utiliza parâmetros relacionados ao dano derivados da mecânica do dano contínuo para caracterizar o comportamento intrínseco de degradação dos ligantes asfálticos sob carregamento cíclico. Ao incluir a origem do petróleo bruto do asfalto como fator influente, este estudo demonstra ainda que a eficácia da modificação para mistura morna não é universal, mas depende fortemente da composição química e da estrutura coloidal do ligante base. Esses resultados trazem novas perspectivas sobre a interação entre a fonte do petróleo bruto, aditivos para mistura morna, suscetibilidade ao envelhecimento e resistência à fadiga, estabelecendo assim uma abordagem mais mecanicista para a avaliação de materiais asfálticos. Estudos anteriores destacaram o potencial da análise LAS–S-VECD na caracterização da fadiga do ligante; no entanto, sua aplicabilidade direta na previsão do desempenho à fadiga em escala de mistura ainda está em constante investigação. O presente trabalho contribui para essa área de pesquisa ao validar a relação entre a evolução do dano no ligante e o comportamento à fadiga da mistura em diversos sistemas de ligantes.

O framework proposto aprimora a compreensão científica dos mecanismos de fadiga do asfalto ao preencher a lacuna entre a caracterização reológica em escala do ligante e o desempenho estrutural em escala da mistura. Os métodos tradicionais de avaliação do ligante frequentemente fornecem informações limitadas sobre o acúmulo progressivo de dano por fadiga, já que parâmetros como o módulo complexo e o ângulo de fase descrevem principalmente respostas viscoelásticas instantâneas, e não a evolução do dano. Em contraste, a abordagem S-VECD considera os ligantes asfálticos como materiais viscoelásticos continuamente degradáveis e fornece descritores quantitativos da perda de integridade estrutural durante o carregamento por fadiga. As fortes correlações obtidas entre os parâmetros LAS–S-VECD e a vida útil à fadiga da mistura neste estudo indicam que a evolução do dano em nível de ligante pode fornecer informações significativas sobre a fase de início da fissuração da mistura. Resultados semelhantes sugeriram que parâmetros mecanicistas baseados em dano podem oferecer maior capacidade preditiva em comparação com índices reológicos convencionais. Portanto, este estudo amplia a pesquisa atual sobre fadiga do asfalto ao fornecer evidências experimentais de que a mecânica do dano em escala do ligante pode atuar como uma ponte rumo ao projeto de materiais para pavimentos baseado em desempenho.

Apesar dos resultados promissores, várias limitações devem ser reconhecidas. Primeiro, a investigação atual foi conduzida utilizando três ligantes asfálticos derivados de fontes específicas de petróleo bruto e uma graduação de agregado; portanto, a universalidade da relação proposta exige validação adicional com uma gama mais ampla de ligantes, tecnologias de modificação e projetos de mistura. Embora os ligantes selecionados representem materiais típicos de pavimentação utilizados na prática de engenharia, os materiais asfálticos apresentam variabilidade considerável devido às diferenças na origem do petróleo bruto, no processo de refino e na composição química. Segundo, os ensaios laboratoriais de fadiga foram realizados sob condições controladas de temperatura e carregamento, enquanto estruturas reais de pavimento estão sujeitas a fatores ambientais complexos, incluindo flutuações de temperatura, infiltração de umidade, variabilidade das cargas de tráfego e envelhecimento a longo prazo. Terceiro, embora os parâmetros LAS–S-VECD tenham mostrado fortes correlações com o desempenho à fadiga da mistura, o conjunto atual de dados é insuficiente para estabelecer um modelo preditivo universal aplicável a todos os sistemas asfálticos. Portanto, estudos futuros devem incorporar bases de dados maiores e observações do desempenho em campo para aprimorar ainda mais a robustez e a transferibilidade da abordagem proposta.

Outras abordagens alternativas também podem ser consideradas para investigar mais a fundo a relação entre a evolução do dano no ligante e o desempenho à fadiga da mistura. Por exemplo, técnicas avançadas de caracterização química, incluindo espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), ressonância magnética nuclear (NMR) e simulação de dinâmica molecular, poderiam fornecer informações adicionais sobre os mecanismos moleculares que regem o comportamento à fadiga dependente da fonte do óleo. Estudos anteriores demonstraram que variações na estrutura molecular do asfalto, incluindo agregação de asfaltenos, distribuição de aromáticos e interações relacionadas à polaridade, influenciam significativamente a resposta reológica e a suscetibilidade ao envelhecimento. Além disso, técnicas avançadas de imageamento, como microscopia de força atômica (AFM) e métodos de caracterização baseados em raios X, poderiam ser empregadas para observar diretamente a evolução microestrutural durante o acúmulo de dano por fadiga. A combinação dessas abordagens com a análise LAS–S-VECD pode proporcionar uma compreensão mais abrangente da relação entre estrutura molecular, mecânica do dano no ligante e desempenho macroscópico do pavimento.

A metodologia proposta baseada em LAS–S-VECD possui importantes aplicações potenciais em diversas áreas da engenharia de pavimentos asfálticos e da ciência dos materiais. De uma perspectiva prática, esta estrutura pode ser utilizada como uma ferramenta eficiente de triagem para avaliar ligantes candidatos, selecionar aditivos apropriados para misturas mornas e avaliar a sensibilidade ao envelhecimento antes de realizar experimentos demorados de fadiga em escala de mistura. Em comparação com especificações empíricas tradicionais, a abordagem proposta fornece uma base mecanicista para o projeto de pavimentos orientado ao desempenho, vinculando diretamente as características de dano do ligante com a durabilidade estrutural. Isso é particularmente valioso para tecnologias sustentáveis de pavimentação, nas quais a crescente aplicação de asfalto morno, materiais reciclados e ligantes alternativos exige métodos confiáveis para prever o desempenho a longo prazo. Além disso, a metodologia pode contribuir para o desenvolvimento de sistemas de projeto de pavimentos baseados em dados, fornecendo descritores de fadiga fisicamente significativos que podem ser integrados a modelos preditivos e estruturas de avaliação do ciclo de vida.

Pesquisas futuras devem focar na ampliação da aplicabilidade do framework proposto para previsões de desempenho de pavimentos mais abrangentes e voltadas para o campo. Estudos futuros devem incluir bases de dados maiores de ligantes, cobrindo diferentes fontes de petróleo, ligantes modificados com polímeros, materiais asfálticos reciclados e modificadores sustentáveis emergentes, a fim de estabelecer modelos de previsão de fadiga mais generalizados. Além disso, a integração da análise LAS–S-VECD com métodos de caracterização multiescala, abordagens de inteligência artificial e simulações em nível molecular pode aprimorar ainda mais a compreensão e a precisão da previsão do comportamento de fadiga do asfalto. O monitoramento de longo prazo em campo e testes acelerados de pavimentos também devem ser incorporados para validar as previsões baseadas em laboratório sob condições reais de serviço. Em última instância, a combinação de modelagem mecanicista de dano, caracterização avançada de materiais e estratégias de projeto baseadas em desempenho deverá facilitar o desenvolvimento de sistemas de pavimentação asfáltica mais duráveis, sustentáveis e confiáveis.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

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