Mistura betuminosa a frio – Produza melhor qualidade através da sonicação

As emulsões para misturas betuminosas a frio dependem de forma crítica do controlo da distribuição do tamanho das gotículas, da viscosidade e da estabilidade, minimizando simultaneamente a energia necessária para o processamento. Os sonicadores Hielscher fragmentam as gotículas de forma eficiente, encurtam o tempo de processamento e permitem cumprir especificações mais rigorosas com menos tensioativo e a temperaturas mais baixas.
Esta página descreve em pormenor o mecanismo, o percurso de aumento de escala em três etapas e as opções de engenharia robusta que permitem aos sonicadores Hielscher funcionar de forma fiável na produção de misturas betuminosas a frio.

Porquê utilizar sonicadores para emulsões de misturas betuminosas a frio

Os principais fatores económicos são a redução do tempo de residência, a menor necessidade de emulsionante para o mesmo tamanho de gotícula pretendido, uma menor amplitude da distribuição de tamanhos e, consequentemente, uma melhor estabilidade durante o armazenamento, e a possibilidade de operar a uma temperatura de processo mais baixa. Comparativamente aos moinhos de rotor-estator ou coloidais, os ultrassons fornecem energia através de microjatos de cavitação, em vez de cisalhamento entre a ferramenta e o estator, o que se traduz numa fragmentação mais rápida das gotículas para uma determinada energia específica fornecida.

Reduções de viscosidade medidas de cerca de 20 a 30 por cento após a sonicação, sem alteração da formulação, combinadas com uma evolução para gotículas de emulsão mais pequenas e mais monodispersas.
Poupanças de tensioativo de 10 a 30 por cento para um determinado d90 pretendido e intervalo de estabilidade, porque o campo de cavitação pode gerar gotículas finas.
Menor tempo de processamento e menor espaço ocupado pelos equipamentos, uma vez que a sonicação em linha permite atingir a viscosidade e o tamanho das gotículas especificados.
Temperaturas de mistura mais baixas, o que reduz o consumo de energia e a exposição dos trabalhadores a fumos, em consonância com as iniciativas da UE e dos EUA para descarbonizar os materiais de pavimentação.

Mecanismo: redução do tamanho das gotículas e dispersão por cavitação

Ao contrário do cisalhamento puramente mecânico, a cavitação acústica gera oscilações locais de pressão de centenas de bar e microjatos com velocidades da ordem das dezenas a centenas de metros por segundo. Nas emulsões para misturas betuminosas a frio, isto produz dois efeitos sinérgicos. Primeiro, uma redução rápida do tamanho das gotículas até se obter uma distribuição mais estreita, diminuindo a viscosidade com um teor de sólidos constante. Segundo, uma micromistura intensa à escala molecular que acelera a adsorção dos emulsionantes na nova interface, estabilizando a emulsão sem necessidade de sobredosagem de emulsionante. O resultado final é uma formulação mais fácil de bombear e aplicar, com melhor estabilidade a longo prazo.

Aumento linear de escala: energia específica constante, amplitude constante, pressão constante

A regra prática para aumentar a escala dos processos ultrassónicos é simples. Se mantiver constantes a energia específica fornecida (kWh por tonelada), a amplitude acústica na face do sonotrodo e a pressão do reator, a qualidade da emulsão será invariável entre escalas. Não se trata de uma heurística. É assim que a intensidade da cavitação e a dinâmica das bolhas se correlacionam com o campo acústico, e é por isso que a sonicação industrial pode ser concebida de forma determinística. Por outras palavras, o protocolo utilizado num sonicador UP400St com uma amplitude de 40 por cento e 0,6 kWh/t será reproduzido num sistema 4xUIP6000hdT ao fornecer a mesma energia por unidade de massa, à mesma amplitude, através de uma célula de fluxo operada à mesma pressão.

O percurso em três etapas da ideia à produção

1) Ensaios laboratoriais com o UP400St Comece por avaliar formulações e proporções num sonicador compacto UP400St (400 W). Opere em modo descontínuo ou de recirculação com uma pequena célula de fluxo para registar a amplitude, a temperatura e a energia específica. Normalmente, num dia consegue delimitar o intervalo de energia específica que proporciona a distribuição do tamanho das gotículas e a viscosidade desejadas, sem inversão de fase nem aquecimento excessivo.

2) Otimização do processo com o UIP2000hdT
Passe para um UIP2000hdT (2 kW) para validar o processamento contínuo, medir os efeitos da pressão e otimizar a capacidade de processamento em relação à qualidade. Nesta etapa, fixa o ciclo de trabalho, o controlo da temperatura em linha e a pressão (tipicamente 2 a 5 bar para intensificar a cavitação). É aqui que comprova a poupança de tensioativo, o d90 ou a amplitude da distribuição de tamanhos pretendidos e o tempo de residência alcançável com caudais realistas, registando simultaneamente a energia para um balanço dos custos operacionais (OPEX).

3) Aumento de escala para produção com o 4xUIP6000hdT
As instalações de sonicadores à escala industrial utilizam frequentemente uma configuração em paralelo para atingir várias toneladas por hora. Por exemplo, quatro UIP6000hdT (6 kW cada) em paralelo, com uma energia específica de 0,5 kWh/t, processam cerca de 10 a 12 t/hr. Como os dispositivos têm controlo de amplitude e estão equipados com reatores de célula de fluxo e amplificadores de amplitude, o campo acústico é reprodutível. Isto significa que o d50, a amplitude da distribuição de tamanhos e a viscosidade Brookfield correspondem aos dados dos ensaios piloto, dentro da dispersão analítica.

Comparação dos ultrassons com os moinhos de rotor-estator e coloidais

Os moinhos de rotor-estator e coloidais são robustos e bem conhecidos, mas envolvem um compromisso entre a intensidade energética, o tempo de residência e o elevado espaço ocupado. Também associam o tamanho das gotículas a intervalos de operação muito estreitos e podem exigir temperaturas elevadas para evitar picos de viscosidade. Os ultrassons dissociam a fragmentação das gotículas do cisalhamento entre peças móveis e utilizam a cavitação, permitindo atingir tamanhos de gotícula iguais ou melhores em menos tempo, com uma energia específica total semelhante ou inferior. A manutenção também é diferente. Não existem tolerâncias apertadas a manter entre o estator e o rotor. Na prática, os operadores referem ciclos de limpeza no local mais rápidos e uma mudança mais fácil entre formulações.

Engenharia robusta para centrais de produção de misturas betuminosas

A produção de misturas betuminosas a frio não decorre num ambiente de sala limpa. Os sonicadores Hielscher permitem manutenção no local e foram concebidos para funcionamento 24/7 a elevada amplitude. Estão disponíveis versões especiais para ambientes poeirentos e exigentes. Os reatores de célula de fluxo são dimensionados para funcionar sob pressão, dispõem de camisa para controlo térmico e estão disponíveis com insertos MultiPhaseCavitator para injeção controlada de uma segunda fase. Para mais informações sobre como o MultiPhaseCavitator melhora o contacto entre fases para obter melhores emulsões, consulte a página do MultiPhaseCavitator.

A Hielscher fornece mais do que apenas equipamento de sonicação

Envie-nos a especificação atual da sua emulsão e a capacidade de processamento pretendida. Em conjunto consigo, podemos planear um programa de ensaios desde a escala laboratorial à escala piloto e dimensionar uma instalação de sonicadores para a sua produção. Preencha o formulário de contacto para uma avaliação da sonicação de emulsões para misturas betuminosas a frio. Se preferir, envie um pequeno bidão da sua emulsão ou dos componentes da sua formulação e produziremos dados comparativos com o seu processo atual com moinho de rotor-estator ou coloidal.

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Leitura adicional / Bibliografia sobre misturas betuminosas a frio

Mistura betuminosa a frio – Perguntas frequentes

O que é uma mistura betuminosa a frio?

Uma mistura betuminosa a frio é uma mistura betuminosa produzida sem aquecer os agregados ou o ligante até às temperaturas de produção das misturas betuminosas a quente. Normalmente, recorre a emulsões de betume para reduzir a viscosidade, permitindo a mistura, a bombagem e a aplicação a uma temperatura próxima da temperatura ambiente. Assim que a água evapora e ocorre a rutura da emulsão, o ligante recupera a viscosidade e a mistura desenvolve resistência. As misturas a frio são amplamente utilizadas na manutenção, em reparações localizadas e, cada vez mais, em camadas de base e de ligação, quando as condicionantes ambientais ou logísticas favorecem o processamento a baixa temperatura.

Qual é a diferença entre uma mistura betuminosa a quente e uma mistura betuminosa a frio?

A mistura betuminosa a quente (HMA) é fabricada a 140 a 180°C para garantir uma baixa viscosidade e o revestimento completo dos agregados. Proporciona uma elevada resistência inicial e é a opção habitual para camadas estruturais. A mistura betuminosa a frio substitui a redução térmica da viscosidade pela emulsificação, pelo que pode ser produzida e aplicada a temperaturas muito mais baixas. Esta categoria reduz o consumo de energia e as emissões, mas normalmente exige tempos de cura mais longos, enquanto ocorre a rutura da emulsão e a água sai do sistema. O desempenho mecânico pode ser ajustado para se aproximar do das HMA quando se utilizam emulsões, polímeros e protocolos de cura otimizados.

Quais são as vantagens das misturas betuminosas a frio?

As principais vantagens são o menor consumo de energia e as menores emissões de CO2, uma logística mais simples (sem necessidade de manter temperaturas elevadas durante o transporte e a aplicação) e uma maior segurança devido à redução dos fumos. As misturas a frio são especialmente atrativas para elevados teores de material de pavimento betuminoso recuperado (RAP) e para obras em locais remotos ou de pequena escala. Com emulsões processadas por ultrassons, acrescenta a capacidade de cumprir objetivos rigorosos de reologia e estabilidade, mantendo baixos o consumo de tensioativo e a temperatura de mistura.

Quanto tempo demora uma mistura betuminosa a frio a endurecer?

O endurecimento, ou cura, depende da evaporação da água, da química da emulsão, da temperatura ambiente, da humidade e da espessura da camada. Na prática em obra, pretende-se frequentemente abrir ao tráfego num prazo de algumas horas a um dia no caso das misturas para reparações localizadas, enquanto as camadas estruturais podem necessitar de vários dias para atingir o módulo de projeto. Os ultrassons não alteram o mecanismo fundamental de cura, mas, ao proporcionar distribuições mais estreitas do tamanho das gotículas e uma reologia otimizada, podem produzir um comportamento mais previsível de rutura da emulsão e de cura.

Qual é a mistura betuminosa mais resistente?

Em termos estruturais, uma mistura betuminosa a quente de granulometria contínua e densa, modificada com polímeros e com baixa percentagem de vazios de ar, atinge frequentemente a resistência mais elevada. Nas misturas a frio, a resistência é função do tipo de emulsão, das propriedades do ligante residual, da compactação e da cura. As misturas a frio modificadas com polímeros e as emulsões catiónicas bem formuladas, que recuperam totalmente a viscosidade do ligante após a rutura, podem aproximar-se ou igualar critérios específicos de desempenho das HMA para determinadas camadas, especialmente quando os ultrassons asseguram uma dispersão homogénea dos modificadores.

Quais são os 4 tipos de emulsões?

Na prática da pavimentação betuminosa, trabalha-se principalmente com emulsões de óleo em água, mas, na ciência das emulsões, podem distinguir-se emulsões de óleo em água, de água em óleo, emulsões múltiplas, como água em óleo em água, e microemulsões. As misturas betuminosas a frio utilizam quase sempre sistemas de óleo em água pela sua facilidade de bombagem e manuseamento. Os sonicadores são eficazes nos diferentes tipos, mas o intervalo de formulação, o sistema de tensioativos e a energia de processamento diferem.