Betume

Etimologia

A palavra portuguesa betume vem do latim bitūmen. Heródoto relata que, na construção da muralha da Babilônia, betume quente foi usado como argamassa entre tijolos cozidos, com esteiras de junco inseridas periodicamente na alvenaria. O material era levado da cidade de Is, situada junto a um pequeno afluente do Eufrates, de cujas águas subiam torrões de betume.

Terminologia moderna

Betume também possui outros sentidos em português, mas, no âmbito do petróleo e da pavimentação, designa um material hidrocarbonetado escuro e viscoso.

Em português, asfalto tem mais de um sentido. A palavra pode designar um material betuminoso natural, uma mistura desse material com agregados usada na pavimentação, betume preparado a partir de resíduos da destilação do petróleo ou a própria superfície revestida com a mistura. Asfalto remonta ao grego antigo ἄσφαλτος (ásphaltos), "asfalto, betume", por intermédio do latim. Uma etimologia tradicional interpreta ἄσφαλτος como uma formação negativa ligada ao verbo σφάλλεσθαι, análise já encontrada em Fílon. Robert Beekes considerou fraca a justificativa semântica dessa derivação e preferiu tratar ἄσφαλτος como palavra de substrato pré-grego.

No Brasil, o manual técnico da Petrobras emprega asfalto para o ligante e observa que, no uso popular, a mesma palavra também pode nomear o conjunto de materiais aplicado na pavimentação, formado pelo ligante e pelos agregados. O cimento asfáltico de petróleo (CAP), também chamado de ligante asfáltico, é um derivado de petróleo de alta viscosidade, semissólido a 25 °C, obtido por refino e com propriedades próprias para uso direto na construção de pavimentos. O concreto asfáltico é uma mistura asfáltica densa, produzida, espalhada e compactada a quente, constituída de CAP, agregados pétreos e fíler, com material de enchimento ou melhorador de adesividade quando necessários.

Em Portugal, a terminologia rodoviária emprega betume e ligante betuminoso para o material ligante, enquanto mistura betuminosa é usada para materiais produzidos com esse ligante e agregados. O Laboratório Nacional de Engenharia Civil trata separadamente agregados, ligantes betuminosos e misturas betuminosas, e a documentação rodoviária portuguesa usa denominações como betão betuminoso, macadame betuminoso e mistura betuminosa densa.

O betume natural é petróleo extremamente viscoso encontrado em rochas-reservatório clásticas ou carbonáticas, muitas vezes em depósitos próximos da superfície. Rochas e sedimentos impregnados por esse material são frequentemente chamados de areias betuminosas ou areias petrolíferas. Asfalto natural também é empregado na literatura geológica para uma variedade de betume natural, particularmente em depósitos nos quais o material impregna sedimentos ou rochas.

Betume e asfalto não devem ser confundidos com alcatrão, em especial o alcatrão de hulha. O alcatrão de hulha é obtido pela destilação destrutiva em alta temperatura do carvão betuminoso. Embora possa apresentar aparência e propriedades adesivas semelhantes às do asfalto de petróleo, sua composição química é substancialmente diferente.

Distinções de uso

A terminologia varia entre países e setores. Neste artigo, os termos abaixo distinguem o ligante de materiais e produtos que o contêm.

Características gerais

O betume não é uma substância química pura, mas uma mistura de muitos hidrocarbonetos e outros compostos. Em temperatura ambiente, pode ser muito viscoso ou parecer sólido. Sua consistência muda gradualmente com a temperatura, sem um único ponto de fusão bem definido. É praticamente insolúvel em água e adere a muitos materiais minerais, características aproveitadas na pavimentação e na impermeabilização.

A combinação de viscosidade, adesividade e resposta à temperatura explica por que o material pode ser rígido em uma situação e fluir em outra. Para ser bombeado, misturado ou aplicado, costuma ser aquecido, emulsificado ou, em certas formulações, diluído com solventes.

Composição

Como o betume reúne muitas moléculas sem uma fórmula única, sua composição costuma ser estudada por separação em quatro frações chamadas, em conjunto, de SARA: saturados, aromáticos, resinas e asfaltenos.

• Saturados são a fração menos polar e reúnem sobretudo hidrocarbonetos alifáticos e cicloalifáticos.
• Aromáticos reúnem compostos com estruturas aromáticas e fazem parte da fração oleosa do material.
• Resinas são mais polares que saturados e aromáticos. Saturados, aromáticos e resinas formam, em conjunto, a fração chamada de maltenos.
• Asfal tenos formam a fração mais pesada definida operacionalmente por sua solubilidade. O nome abrange muitas moléculas e associações moleculares, não uma substância química única.

Em termos de composição elementar, o betume contém em sua maior parte carbono e hidrogênio, além de enxofre e pequenas quantidades de nitrogênio, oxigênio e metais. As proporções mudam conforme a origem do petróleo e o processamento. Betumes naturais podem conter compostos organossulfurados, além de níquel e vanádio, em concentrações que variam entre depósitos e produtos.

O material é praticamente insolúvel em água e pode ser separado por solventes empregados em métodos analíticos. Asfaltenos e maltenos formam associações cuja organização depende da composição e das condições do material. Modelos coloidais tratam os asfaltenos como agregados dispersos nos maltenos, mas esse modelo não se aplica da mesma forma a todos os betumes. Há resultados compatíveis com agregação coloidal e com graus distintos de dissolução ou associação dos asfaltenos na fase de maltenos.

Comportamento reológico

O comportamento do betume depende fortemente da temperatura e da duração da carga aplicada. Em temperaturas mais altas ou sob carregamentos lentos, o material se comporta de maneira mais fluida. Em temperaturas baixas ou sob carregamentos rápidos, torna-se mais rígido. Essa resposta viscoelástica é uma das propriedades consideradas na seleção de ligantes para pavimentos, pois um material excessivamente macio em condições quentes favorece deformações permanentes, enquanto um material excessivamente rígido em condições frias fica mais suscetível à fissuração.

O betume não apresenta um único ponto de fusão bem definido. À medida que a temperatura aumenta, sua consistência muda gradualmente. Também é praticamente insolúvel em água e apresenta afinidade por muitos materiais minerais, propriedades aproveitadas na pavimentação e na impermeabilização. A exposição ao oxigênio, ao calor e às condições ambientais altera o ligante com o tempo. A oxidação e a perda de componentes mais voláteis tendem a aumentar sua rigidez e reduzir sua capacidade de deformação.

Adesão e interação com a água

Embora seja praticamente insolúvel em água, o desempenho do betume em contato com agregados depende da adesão entre o ligante e a superfície mineral. A presença de água nessa interface pode favorecer o deslocamento do ligante e a perda de aderência. Por isso, a compatibilidade entre agregado e ligante é avaliada em ensaios próprios, e podem ser empregados melhoradores de adesividade quando a ligação é insuficiente. Em emulsões asfálticas, a carga do emulsificante e a natureza do agregado também afetam essa interação.

Envelhecimento e durabilidade

A exposição ao oxigênio, ao calor e às condições ambientais altera o ligante com o tempo. A oxidação e a perda de componentes mais voláteis tendem a aumentar sua rigidez e reduzir sua capacidade de deformação.

O envelhecimento pode ocorrer durante a mistura e a aplicação, quando o ligante é aquecido e exposto ao ar, e prosseguir mais lentamente durante o serviço. A mudança de composição e de resposta mecânica ajuda a explicar por que materiais recuperados de pavimentos costumam precisar de ligante novo ou agentes rejuvenescedores antes de serem incorporados a uma nova mistura.

Relação entre propriedades e uso

As propriedades medidas no ligante têm consequências práticas distintas. A relação não é absoluta, porque o desempenho de um produto também depende dos agregados, da formulação, da construção e das condições ambientais.

Ocorrências em países lusófonos

No Brasil, os arenitos asfálticos da borda leste da Bacia do Paraná, no estado de São Paulo, ocorrem principalmente na Formação Piramboia. Um modelo para sua formação relaciona a geração do petróleo ao aquecimento dos folhelhos negros da Formação Irati por soleiras da Formação Serra Geral. O petróleo migrou ao longo de falhas e das margens de diques e se acumulou nos arenitos da Formação Piramboia, onde camadas argilosas e diques básicos formaram barreiras à sua migração. Uma análise posterior de biomarcadores resistentes à degradação encontrou parâmetros geoquímicos que permitem correlacionar os óleos altamente degradados da Formação Piramboia com amostras da fácies A da Formação Irati.

O maior afloramento desses arenitos citado na literatura fica na Fazenda Betumita, no município de Anhembi, onde o petróleo que impregnava os arenitos sofreu lavagem por águas meteóricas e biodegradação, tornando-se um óleo pesado rico em asfaltenos. Os arenitos asfálticos da Formação Piramboia foram explorados entre meados da década de 1930 e aproximadamente 1945 para fornecer material de pavimentação. Em 2019, já não eram explorados comercialmente.

Em Portugal, as primeiras explorações destinadas à extração de hidrocarbonetos remontam à década de 1840. A mina do Canto de Azeche, junto à praia de Vale de Paredes, no concelho de Alcobaça, começou a laborar em 1844, depois de uma licença régia concedida em 27 de março daquele ano. Pareceres do século XIX preservados pelo Arquivo Histórico do Ministério Público referem-se à exploração como "mina de asfalto" e "mina de betume asfáltico". O mesmo conjunto documental registra prospeções ou explorações em Alcobaça, Leiria, Louriceira, Valverde e Vila Franca de Xira.

Refino do petróleo

O betume de petróleo é obtido principalmente pela destilação a vácuo de petróleos brutos selecionados ou de misturas de petróleos. Na rota mais comum, a destilação atmosférica separa primeiro as frações mais leves destinadas a combustíveis e à indústria petroquímica. O resíduo atmosférico segue então para uma coluna de destilação a vácuo. A pressão reduzida permite retirar outras frações, entre elas os gasóleos de vácuo, em temperaturas menores do que seriam necessárias à pressão atmosférica, reduzindo a ocorrência de craqueamento térmico. O resíduo não destilável pode atender diretamente a uma especificação de betume, passar por outros processos ou ser misturado a outros componentes para obter as propriedades desejadas.

Outras etapas permitem modificar a consistência e outras propriedades do produto. Na desasfaltação por solvente, hidrocarbonetos leves, como propano ou butano, ou processos de extração em condições supercríticas, retiram frações do resíduo e deixam um material duro que pode entrar na formulação do betume. A insuflação moderada de ar, chamada de retificação ao ar, aumenta a rigidez e o ponto de amolecimento e reduz a penetração. Uma oxidação mais intensa também usa ar em temperatura elevada e produz betumes mais duros, destinados a aplicações específicas. No Brasil, o cimento asfáltico de petróleo (CAP) da Petrobras é produzido por destilação a vácuo ou por desasfaltação por solvente, podendo depois ter suas propriedades ajustadas com diluentes.

Produção mundial

Nas estatísticas energéticas das Nações Unidas, o betume de refinaria é definido como o hidrocarboneto sólido ou viscoso obtido como resíduo da destilação a vácuo de resíduos da destilação atmosférica. O asfalto natural não entra nessa categoria. Sob essa definição, as refinarias produziram 112,904 milhões de toneladas de betume no mundo em 2023. A Ásia respondeu por 57,952 milhões de toneladas, a América do Norte por 25,979 milhões, a Europa por 22,949 milhões, a América Latina e o Caribe por 4,923 milhões e a África por 1,101 milhão. Entre os valores nacionais publicados, a China registrou 27,812 milhões de toneladas e os Estados Unidos, 19,704 milhões.

Países lusófonos

No Brasil, a mesma série das Nações Unidas registrou produção de 2,755 milhões de toneladas de betume de refinaria em 2023, diante de 4,923 milhões de toneladas para toda a América Latina e o Caribe. Nas estatísticas brasileiras do refino, a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis reúne o produto sob a denominação "asfalto" e publica mensalmente os volumes produzidos por refinaria, em metros cúbicos. Na Petrobras, o CAP 30/45 é produzido nas refinarias REGAP, REDUC e REPLAN, enquanto o CAP 50/70 é produzido na REGAP, REDUC, REPAR, REFAP e LUBNOR.

Em Portugal, a atividade de refinação foi concentrada em Sines depois do encerramento da refinaria de Matosinhos, em 2021. A refinaria de Sines é a única em operação no país. O petróleo passa primeiro por destilação atmosférica, e os resíduos resultantes podem seguir para unidades de destilação a vácuo. A série das Nações Unidas registra 190 mil toneladas de betume de refinaria para Portugal em 2020 e 66 mil toneladas em 2021, mas não apresenta valor para o país em 2022 ou 2023.

Entre os demais países lusófonos, a tabela das Nações Unidas registra 25 mil toneladas de betume de refinaria produzidas em Angola em 2023.

Extração de areias betuminosas

A produção a partir das areias betuminosas segue uma rota diferente da produção em refinarias. Em Alberta, no Canadá, o betume impregna depósitos de areia e arenito e, por sua elevada viscosidade, é recuperado por mineração superficial ou por métodos térmicos in situ. Nestes últimos, o betume é aquecido no reservatório para diminuir sua viscosidade e permitir que escoe até os poços. Em 2024, Alberta produziu em média 565,4 mil m³ de betume bruto por dia, dos quais 273,4 mil m³ por dia vieram da mineração e 292,0 mil m³ por dia de operações in situ.

Parte desse betume passa por melhoramento, que o transforma em correntes mais leves para a produção de petróleo sintético. A produção albertana de betume melhorado foi de 196,6 mil m³ por dia em 2024. O betume que não passa por essa etapa pode ser aquecido ou diluído com hidrocarbonetos mais leves para reduzir sua viscosidade durante o transporte.

Cimentos asfálticos de petróleo

No Brasil, o produto destinado à pavimentação é chamado de cimento asfáltico de petróleo (CAP). A especificação DNIT 095/2006 classifica os CAP por faixas de penetração em CAP 30/45, CAP 50/70, CAP 85/100 e CAP 150/200. Os números correspondem à faixa de penetração medida em condições padronizadas e não à porcentagem de betume na mistura.

As propriedades dos ligantes de pavimentação mudam conforme o petróleo de origem, o processo de refino, a mistura de correntes de refinaria e a presença de modificadores. As especificações usam propriedades medidas em laboratório para selecionar produtos compatíveis com as condições previstas de fabricação e de serviço.

Betumes oxidados e retificados com ar

O betume pode ser processado pela passagem de ar em temperatura elevada, o que altera sua consistência e outras propriedades físicas. Produtos obtidos por oxidação são empregados em algumas aplicações industriais e de coberturas. Processos de retificação com ar também produzem ligantes destinados à pavimentação e a coberturas.

Betumes modificados

As propriedades do ligante podem ser alteradas pela incorporação de polímeros ou de borracha moída de pneus. Entre os polímeros empregados estão copolímeros de estireno-butadieno-estireno e materiais das famílias do polietileno, etileno-acetato de vinila e EPDM. A modificação pode ampliar a faixa de temperaturas em que o ligante conserva propriedades adequadas, aumentar a recuperação elástica e melhorar a resistência a deformações permanentes. O desempenho final depende do tipo e da quantidade do modificador, da composição do betume e das condições de mistura.

A borracha de pneus reciclados pode ser incorporada na forma de granulado ou pó. Durante a mistura a quente, as partículas absorvem frações mais leves do betume e incham, modificando a viscosidade e a resposta elástica do ligante. O processo requer controle de temperatura e tempo de reação para que o material adquira propriedades uniformes.

Emulsões asfálticas

As emulsões asfálticas são misturas coloidais de betume e água. Como os dois líquidos são imiscíveis, não basta misturá-los para obter uma emulsão estável: é necessário acrescentar emulsificantes e, em certos casos, estabilizantes. Os emulsificantes são moléculas anfifílicas, com uma parte polar cuja carga pode variar. Eles reduzem a tensão interfacial e dificultam a união das gotículas de betume. Sua carga define dois tipos básicos de emulsão: aniônica, com carga negativa, e catiônica, com carga positiva.

A quantidade de emulsificante ajuda a determinar o tamanho das gotículas. Concentrações mais altas tendem a produzir gotículas menores, alterando a estabilidade, a viscosidade, a ruptura e a adesividade da emulsão. As partículas de betume normalmente medem de 0,1 a 50 μm, com predominância da faixa de 1 a 10 μm. A distribuição de tamanhos pode ser medida por difração a laser. Os emulsificantes catiônicos incluem sobretudo aminas de cadeia longa, como imidazolinas, amidoaminas e diaminas, que adquirem carga positiva com a adição de um ácido. Entre os aniônicos estão derivados de lignina e ácidos graxos de óleo de tall e de resinas vegetais. A reação com bases, como o hidróxido de sódio, produz grupos com carga negativa.

Durante o armazenamento, as gotículas podem sedimentar, aglomerar-se por floculação ou unir-se por coagulação, processos que reduzem a estabilidade da emulsão. A velocidade dessas alterações depende da formulação e das condições de armazenamento, como temperatura e umidade. No contato com os agregados, a perda de eficácia do emulsificante permite que as gotículas se unam e formem uma película aderente de betume, separando-se da água, que evapora. Esse processo é chamado de ruptura.

As emulsões não se rompem todas com a mesma rapidez, o que permite classificá-las conforme sua velocidade de ruptura e ajustar a formulação à aplicação. Na terminologia brasileira, distinguem-se, entre outras, emulsões de ruptura rápida, média e lenta, identificadas pelas siglas RR, RM e RL. As de ruptura lenta proporcionam mais tempo de manuseio, especialmente útil em misturas com agregados finos.

Emulsões aniônicas podem aderir mal a agregados ricos em quartzo. Nesses casos, emulsões catiônicas podem proporcionar melhor aderência. Nem toda formulação cabe perfeitamente nas categorias das normas. A norma europeia EN 13808, publicada pela primeira vez em 2005, usa uma classificação alfanumérica para emulsões catiônicas que leva em conta propriedades como carga, viscosidade e tipo de betume.

Dois processos comuns de fabricação são o moinho coloidal e o de alta proporção de fase interna, conhecido pela sigla inglesa HIPR, de high internal phase ratio. No moinho coloidal, um rotor gira em alta velocidade dentro de um estator, enquanto são introduzidos o betume e a mistura de água com emulsificante. As forças de cisalhamento produzem gotículas de betume, tipicamente de 5 a 10 μm, revestidas pelo emulsificante. O processo HIPR permite obter gotículas menores, uma distribuição de tamanhos estreita e aproximadamente unimodal e concentrações elevadas de betume. Primeiro, a fase aquosa é introduzida no betume quente sob agitação moderada, formando uma emulsão muito concentrada, que depois é diluída.

Asfaltos diluídos

O asfalto diluído é uma mistura de cimento asfáltico com um diluente volátil, acrescentado para reduzir temporariamente a viscosidade. À medida que o diluente evapora, permanece o ligante betuminoso. A classificação pode levar em conta a velocidade de cura, relacionada à volatilidade do diluente.

No Brasil, normas rodoviárias distinguem asfaltos diluídos de cura rápida e de cura média. O DNIT mantém em sua coletânea a DNER-EM 362/97, para produtos de cura rápida, e a DNER-EM 363/97, para os de cura média.

Aditivos e materiais recuperados

Por razões econômicas e de outra natureza, o betume às vezes é comercializado em mistura com outros materiais, sem que o produto receba outro nome além de "betume".

Um caso é o uso de resíduos pesados do rerrefino de óleo lubrificante, conhecidos pela sigla inglesa REOB, de re-refined engine oil bottoms. Eles são retirados do fundo das torres de destilação a vácuo empregadas na recuperação de óleo lubrificante usado. Esses resíduos contêm aditivos do óleo original e materiais que se acumulam durante sua circulação no motor, tipicamente ferro e cobre. A presença desse material no betume foi correlacionada a pior desempenho dos pavimentos. Resíduos de óleo de motor no ligante foram relacionados a maior suscetibilidade à fissuração em baixas temperaturas.

Alternativas e bioasfalto

Ligantes de origem biológica podem empregar bio-óleos obtidos de biomassa por processos como pirólise rápida ou liquefação hidrotérmica, usados como substitutos parciais ou componentes modificadores do betume de petróleo. Óleos vegetais, resíduos orgânicos e melaço de cana também são usados em formulações experimentais. O resultado muda com a matéria-prima e a formulação. Certos bio-óleos melhoram propriedades em baixas temperaturas, enquanto algumas misturas perdem resistência em temperaturas altas ou envelhecem de modo menos favorável.

Pavimentação

A maior parte do betume usado nos Estados Unidos vai para a fabricação de concreto asfáltico destinado a revestimentos rodoviários, cerca de 85% do consumo. Em 2011, havia cerca de 4.000 usinas de mistura asfáltica no país e uma quantidade semelhante na Europa.

As misturas de concreto asfáltico geralmente contêm cerca de 5% de betume, denominado cimento asfáltico, e 95% de agregados, como pedra, areia e cascalho. Por ser muito viscoso, o ligante precisa ser aquecido para se misturar aos agregados na usina. A temperatura necessária depende das características dos dois materiais, mas as tecnologias de mistura asfáltica morna permitem reduzi-la.

A massa do pavimento depende do tipo de agregado, do betume e do teor de vazios. Para misturas usadas nos Estados Unidos, um valor de referência é aproximadamente 2.390 kg por metro cúbico.

O concreto asfáltico também é usado em aeroportos. Sua resistência e a possibilidade de reparos rápidos favorecem seu emprego em pistas de pouso e decolagem.

No transporte de misturas asfálticas quentes, alguns caminhões basculantes conduzem gases do escapamento por tubos na caçamba para conservar o calor da carga. Caçambas e equipamentos de manuseio também podem receber agentes desmoldantes para facilitar a descarga. O uso de diesel como desmoldante é desaconselhado por razões ambientais e por seus efeitos sobre a mistura.

Aplicações de emulsões

As emulsões têm aplicações na construção rodoviária e na proteção de edifícios, incluindo reciclagem a frio, pintura de ligação e tratamentos superficiais. Sua viscosidade menor que a do betume quente reduz a energia necessária ao processamento e os riscos de incêndio e queimaduras. No tratamento superficial asfáltico, uma emulsão é aspergida sobre a pista e recoberta por uma camada de brita, cascalho ou escória britada. A lama asfáltica é uma mistura de emulsão e agregado fino, espalhada sobre o pavimento. Também se podem fabricar misturas asfálticas a frio para camadas com centímetros de espessura, semelhantes às produzidas a quente, ou empregar emulsões no reaproveitamento de materiais asfálticos para reduzir custos.

As técnicas baseadas em emulsões podem atender a classes distintas de rodovias. Entre suas aplicações estão:

• Misturas para vias de tráfego intenso, com emulsões modificadas por polímeros.
• Misturas mornas à base de emulsão, para melhorar o tempo de cura e as propriedades mecânicas.
• Tecnologias semimornas, nas quais os agregados são aquecidos até cerca de 100 °C para obter misturas com propriedades semelhantes às produzidas a quente.
• Tratamentos superficiais de alto desempenho.

Impermeabilização e coberturas

Fora da pavimentação, a impermeabilização responde pela maior parcela do uso de betume. O ligante integra produtos como mantas asfálticas, telhas asfálticas, mástiques e revestimentos destinados a coberturas, estruturas subterrâneas e outras superfícies expostas à água ou à umidade. Nesses produtos, o betume é um componente do sistema impermeabilizante, e não necessariamente o produto acabado.

O mástique asfáltico distingue-se do concreto asfáltico de granulometria densa por seu teor mais elevado de ligante: normalmente entre 7% e 10% da mistura, em comparação com cerca de 5% no concreto asfáltico compactado. Esse material termoplástico é usado na construção civil para impermeabilizar coberturas planas e estruturas subterrâneas. Na aplicação, é aquecido a cerca de 210 °C e espalhado em camadas que formam uma barreira impermeável de aproximadamente 20 mm de espessura.

Encapsulamento de resíduos radioativos

A partir da década de 1960, o betume passou a ser utilizado como matriz hidrofóbica para encapsular resíduos radioativos, incluindo sais de atividade intermediária, como nitrato de sódio e sulfato de sódio, provenientes do reprocessamento de combustível nuclear irradiado, e lodos radioativos de tanques de decantação. França, Bélgica e Japão produziram em escala industrial resíduos betuminizados contendo elementos transurânicos emissores de partículas alfa, de elevada radiotoxicidade, provenientes de instalações de reprocessamento.

O método traz riscos de operação, entre eles o incêndio ocorrido em 1997 na instalação de betuminização de Tokai, no Japão, além de questões sobre a estabilidade de longo prazo na disposição geológica profunda. Esses problemas levaram algumas instalações a restringir o processo ou escolher outros métodos. Isso não significa que o acondicionamento em betume tenha sido abandonado por toda a indústria nuclear.

A expansão do betume sob radiação e na presença de água é uma das dificuldades do acondicionamento. A radiólise causada por radiação alfa e gama produz bolhas de hidrogênio, que podem aumentar o volume da matriz.

Outro mecanismo de expansão ocorre quando sais higroscópicos encapsulados entram em contato com água ou umidade e começam a se reidratar e dissolver. A concentração de sais no interior da matriz favorece a entrada de água por osmose, enquanto o betume funciona como uma membrana semipermeável. Em ensaios com volume praticamente constante, foram medidas pressões de expansão de até 20 MPa em resíduos simulados. Sem controle adequado, essa expansão pode comprometer os recipientes e afetar a rocha ao redor de uma galeria de disposição. A alteração da matriz também facilita a entrada de água subterrânea e a liberação de sais e radionuclídeos.

A elevada força iônica das soluções salinas pode influenciar a migração de radionuclídeos em rochas argilosas. A presença de nitrato também pode alterar as condições de oxirredução, favorecendo condições oxidantes em vez das condições redutoras presentes em muitos meios de disposição. Isso afeta elementos sensíveis ao estado de oxidação, como selênio, tecnécio, urânio, neptúnio e plutônio: determinadas espécies oxidadas são mais solúveis ou formam ânions menos retidos pela argila. Esses processos tornam mais difícil avaliar a segurança dos resíduos betuminizados de atividade intermediária.

Foram usados betumes com propriedades distintas, entre eles o produto oxidado por insuflação de ar a alta temperatura, mais duro, e o obtido diretamente por destilação, mais macio. No caso do Mexphalte, alguns betumes oxidados com maior proporção de hidrocarbonetos saturados mostraram maior suscetibilidade à degradação microbiana que certos betumes de destilação direta, mais ricos em aromáticos. Matrizes cimentícias são uma alternativa ao betume. A escolha do material de encapsulamento depende das características do resíduo e dos requisitos de armazenamento, transporte e disposição, entre eles inflamabilidade, estabilidade química e resistência à radiação.

Outros usos

Telhas asfálticas e mantas para coberturas respondem pela maior parte do consumo que não se destina à pavimentação. Outros usos incluem produtos pulverizados sobre o gado, tratamento de mourões de cerca e impermeabilização de tecidos. O betume é empregado na fabricação do verniz preto do Japão, uma laca conhecida por sua aplicação sobre ferro e aço. Também pode compor tintas e marcadores destinados a uso externo, para aumentar sua resistência às intempéries, sua permanência e a intensidade da cor escura. É utilizado ainda na vedação de algumas pilhas alcalinas durante a fabricação e como camada de proteção no processo de ataque químico da gravura em metal.

O material também é empregado no amortecimento de ruído de máquinas de lavar louça.

Ensaios empíricos

A consistência dos ligantes betuminosos pode ser caracterizada por ensaios padronizados. No ensaio de penetração, uma agulha submetida a condições definidas penetra a amostra, e a profundidade alcançada é usada para classificar sua consistência. O ponto de amolecimento pelo método do anel e bola mede a temperatura em que uma amostra alcança uma consistência especificada sob aquecimento controlado. Esses ensaios não fornecem um ponto de fusão, mas permitem comparar ligantes sob condições reproduzíveis.

Ensaios reológicos

Métodos reológicos medem a resposta mecânica do ligante sob condições controladas. O reômetro de cisalhamento dinâmico determina grandezas como o módulo dinâmico de cisalhamento e o ângulo de fase, usadas para caracterizar componentes elásticas e viscosas da resposta.

Envelhecimento em laboratório

Ensaios de envelhecimento acelerado são usados para estimar mudanças ocorridas durante a fabricação e a vida em serviço. O ensaio de forno de filme fino rotativo, conhecido pela sigla RTFOT, expõe uma película de ligante ao calor e ao ar para simular o envelhecimento de curto prazo associado à mistura e à aplicação do asfalto. Outros procedimentos submetem o material já envelhecido a pressão e temperatura por períodos mais longos, procurando reproduzir parte do envelhecimento que ocorre no pavimento em serviço.

O vaso de envelhecimento sob pressão, conhecido pela sigla PAV, é usado depois de um envelhecimento inicial para reproduzir parte das mudanças de longo prazo que ocorrem no ligante.

Sistemas de classificação

No Brasil, os cimentos asfálticos de petróleo são classificados por faixas de penetração e precisam atender também a outros requisitos, como ponto de amolecimento e viscosidade. Nos Estados Unidos e no Canadá, especificações de ligantes para pavimentação também empregam o sistema Performance Grade (PG), no qual os graus são definidos por requisitos avaliados em diferentes temperaturas. Esses sistemas não são simples conversões entre si, pois usam critérios e conjuntos de ensaios distintos.

Brasil

No Brasil, o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes usa o termo RAP para o material obtido pela fresagem ou pela retirada de uma camada de revestimento asfáltico. Esse material pode entrar na composição de concreto asfáltico reciclado produzido em usina, a quente ou em temperaturas mais baixas, próprias das chamadas misturas mornas. A nova mistura pode receber RAP, agregados novos, cimento asfáltico e, quando necessário, fíler, aditivos e agentes de reciclagem. A quantidade de material recuperado não é fixa. Ela é definida no projeto da mistura e também depende da capacidade da usina que fará a produção.

Também é possível reciclar o pavimento sem levar o material fresado para uma usina. Na reciclagem a frio in situ, parte do revestimento e da base existente é fresada e misturada no próprio local com água, fíler ativo e emulsão asfáltica. Se o material antigo não tiver a distribuição adequada de tamanhos de partículas, novos agregados podem ser acrescentados. O material preparado é espalhado e compactado para formar uma nova camada do pavimento.

Portugal

Em Portugal, encontram-se expressões como material fresado e mistura betuminosa fresada para o material retirado de um pavimento. Ele pode ser reciclado numa central de produção ou no próprio local da obra, por processos a quente ou a frio. Antes de voltar a uma mistura betuminosa, o material precisa ser caracterizado para que se conheçam sua composição e as condições em que poderá ser reaproveitado. A formulação da nova mistura leva essas propriedades em conta.

Na ER243, na região de Riachos, uma obra realizada em 2024 usou reciclagem a frio em central com betume-espuma. Todo o material fresado das camadas betuminosas abrangidas pela intervenção pôde ser reaproveitado no processo. Uma técnica de reciclagem a frio in situ também foi usada na ER361, entre Amiais de Cima e Alcanena.

Aspectos ambientais

A produção, o aquecimento e a aplicação de materiais betuminosos consomem energia e podem gerar emissões atmosféricas. Tecnologias de mistura asfáltica morna e processos com emulsões reduzem a temperatura necessária em determinadas aplicações. A reciclagem de pavimentos também permite recuperar agregados e parte do ligante existente, embora o desempenho dependa do estado do material recuperado e da formulação da nova mistura.

Ligantes não derivados de petróleo podem ser produzidos em cores claras. Superfícies mais claras absorvem menos radiação solar e são estudadas como uma das estratégias para reduzir o aquecimento de superfícies urbanas. Uma avaliação do ciclo de vida do betume natural de Selenicë estimou, para as condições examinadas, emissões de dióxido de carbono aproximadamente equivalentes à metade das associadas ao betume rodoviário produzido em refinarias.

Consumo mundial

A maior parte do betume refinado é usada na construção, sobretudo em pavimentação e coberturas. O produto é preparado para o uso final por refino ou pela mistura de betumes com propriedades distintas. O consumo mundial foi estimado em aproximadamente 102 milhões de toneladas em 2011. Para 2022, a estimativa foi de cerca de 120 milhões de toneladas.

Aproximadamente 85% do betume é usado como ligante do concreto asfáltico empregado em estradas e em outras superfícies pavimentadas, como pistas de aeroportos, estacionamentos e calçadas. Sua fabricação normalmente consiste em misturar agregados finos e graúdos, como areia, cascalho e brita, com o betume, que os mantém unidos. Outros materiais, como polímeros reciclados, inclusive borracha de pneus, podem ser incorporados ao ligante para modificar suas propriedades de acordo com a aplicação.

Outros 10% do consumo mundial correspondem a coberturas, nas quais se aproveita a capacidade de impermeabilização do material. Os 5% restantes são usados sobretudo em vedação e isolamento, em produtos como revestimentos de tubulações, bases de placas de carpete e tintas. O betume entra na construção, manutenção ou fabricação dos itens listados abaixo:

Embora o betume normalmente corresponda a apenas 4% a 5% da massa de uma mistura de pavimentação, o ligante é seu componente mais caro.

No começo da pavimentação moderna, refinarias chegaram a fornecer betume gratuitamente. O material passou a ser comercializado como mercadoria, e seus preços subiram muito no início do século XXI. Nos Estados Unidos, valores de aproximadamente 176 dólares por tonelada em 2002, 353 dólares no fim de 2006 e 672 dólares em 2012 foram registrados para o produto.

Um trecho típico de rodovia com quatro faixas e aproximadamente 1,6 km de extensão conteria cerca de 272 toneladas de ligante. Para essa quantidade, o custo teria passado de cerca de 48.000 dólares em 2002 para 96.000 dólares em 2006 e 183.000 dólares em 2012, uma diferença de aproximadamente 135.000 dólares por trecho em dez anos.

Países do Oriente Médio fornecem grande parte do betume importado pela Índia e pela China. Em 2024, Iraque, Emirados Árabes Unidos, Irã e Omã estiveram entre os maiores fornecedores da Índia. Emirados Árabes Unidos e Omã também ficaram entre os maiores fornecedores da China. Em valor monetário, Estados Unidos, China e Índia foram, nessa ordem, os maiores importadores de betume de petróleo naquele ano.

Paleolítico

O uso do betume remonta ao Paleolítico Médio, quando era moldado em empunhaduras ou empregado como adesivo no encabamento de ferramentas de pedra.

Entre os vestígios mais antigos estão resíduos de betume em artefatos de sílex feitos com a técnica Levallois, datados de cerca de 71.000 anos antes do presente, no sítio a céu aberto de Umm el Tlel. O local fica na encosta norte do planalto de Qdeir, na bacia de el Kowm, na Síria central. Dois terços dos artefatos examinados tinham resíduos betuminosos, e a composição do material corresponde a afloramentos naturais do maciço de Bichri, cerca de 40 km a nordeste do sítio.

Artefatos descobertos em 1908 nos abrigos rochosos de Le Moustier, na França, incluem ferramentas musterienses presas a empunhaduras de ocre e betume. A mistura continha 55% de ocre de goethita moído e 45% de betume líquido aquecido, formando uma massa moldável que endurecia como cabo. A falta de precisão das primeiras escavações impede determinar com segurança a idade e a cultura arqueológica dos objetos. Seu estilo musteriense europeu os relaciona aos neandertais, entre o final do Paleolítico Médio e o início do Paleolítico Superior, aproximadamente de 60.000 a 35.000 anos antes do presente. O achado é o exemplo mais antigo conhecido de um adesivo com mais de um componente na Europa.

Antiguidade

O uso do betume natural como impermeabilizante e adesivo remonta pelo menos ao quinto milênio a.C., como mostra um cesto para armazenamento de colheitas revestido com o material e descoberto em Mergar, na região da Civilização do Vale do Indo. No terceiro milênio a.C., já se utilizava asfalto de rocha processado na região, inclusive na impermeabilização do Grande Banho, em Mohenjo-daro.

No Antigo Oriente Próximo, os sumérios usavam o betume natural como argamassa entre tijolos e pedras, para fixar partes de esculturas, como os olhos, na calafetagem de embarcações e na impermeabilização. Heródoto relata o emprego de betume quente como argamassa nas muralhas da Babilônia.

Segundo relatos antigos, o túnel do Eufrates, com cerca de 1 km de extensão sob o rio Eufrates, na Babilônia, teria sido construído no tempo da rainha Semíramis, por volta de 800 a.C., com tijolos cozidos revestidos de betume para impermeabilização.

Os egípcios antigos usaram betume no embalsamamento de múmias. A palavra persa moom, relacionada ao material, está ligada à origem da palavra inglesa mummy. O Mar Morto era uma de suas fontes conhecidas, conhecido pelos romanos como Palus Asphaltites, ou "lago de asfalto".

No século I d.C., Dioscórides descreveu o material do Mar Morto como Judaicum bitumen e registrou outros locais da região em que ele podia ser encontrado. O "betume de Sídon" é associado ao material encontrado em Hasbaya, no Líbano. Plínio, o Velho também menciona ocorrências no Epiro. O betume era um recurso estratégico valioso: em 312 a.C., uma disputa entre os selêucidas e os nabateus por esses depósitos constituiu um dos primeiros conflitos conhecidos pelo controle de hidrocarbonetos.

No antigo Extremo Oriente, o betume natural era aquecido lentamente para eliminar as frações mais voláteis. Restava um material termoplástico de maior massa molecular, que endurecia ao esfriar depois de aplicado sobre objetos. Assim eram revestidos itens que precisavam ser impermeabilizados, como bainhas de armas. No Japão e provavelmente também na China, esse material era usado para moldar estatuetas de divindades domésticas.

Na América do Norte, vestígios arqueológicos mostram o emprego ocasional do betume para fixar pontas de pedra a hastes de madeira. No Canadá, os povos indígenas usavam o betume que aflorava nas margens do rio Athabasca e de outros rios para impermeabilizar canoas de casca de bétula. Também o aqueciam em recipientes para produzir fumaça e afastar mosquitos no verão. No sul da Califórnia pré-colonial, o material servia para impermeabilizar canoas de tábuas.

Europa continental

Em 1553, Pierre Belon descreveu, em sua obra Observations, o uso de pissasphalto, uma mistura de piche e betume, para revestir embarcações na República de Ragusa, atual Dubrovnik, na Croácia.

Uma edição de 1838 da revista The Mechanics' Magazine menciona um uso antigo de asfalto na França. Segundo a revista, um folheto de 1621, escrito por um certo senhor d'Eyrinys, anunciava a descoberta de grandes quantidades do material nas proximidades de Neufchâtel. O autor propunha utilizá-lo sobretudo na construção de celeiros herméticos e em estruturas abobadadas que protegessem os cursos de água de Paris da entrada de sujeira e dejetos, que então tornavam a água imprópria para uso. Também defendia seu emprego em terraços planos e duráveis nos palácios. A revista observava que a ideia de construir superfícies semelhantes nas ruas dificilmente teria ocorrido a um parisiense daquela geração.

O material permaneceu relativamente pouco usado na França até a revolução de 1830. Na década seguinte, o interesse cresceu e o asfalto passou a aparecer em pavimentos, coberturas planas e revestimentos de cisternas, com usos semelhantes na Inglaterra. A adoção se espalhou pela Europa depois da localização de depósitos em Osbann, no Baixo Reno, no Parc, em Ain, e no Puy-de-la-Poix, em Puy-de-Dôme, embora o material também pudesse ser produzido industrialmente. Uma das primeiras aplicações francesas foi o revestimento de aproximadamente 20.000 m² da Praça da Concórdia com asfalto de Seyssel, em 1835.

Reino Unido

Entre os primeiros usos documentados do betume no Reino Unido estava a gravura em metal. Em Polygraphice (1673), William Salmon apresentou uma receita de verniz para gravura que incluía asphaltum, e acrescentou outras formulações na edição de 1685.

O uso moderno do asfalto na pavimentação britânica começou a ganhar espaço na década de 1830. A primeira patente britânica relacionada ao material foi concedida a Cassell em 1834. Richard Tappin Claridge, que conhecera aplicações na França e na Bélgica durante uma viagem com Frederick Walter Simms, patenteou em 1837 o uso do asfalto de Seyssel na pavimentação e obteve patentes semelhantes na Escócia e na Irlanda no ano seguinte.

A Claridge's Patent Asphalte Company, criada em 1838 para importar asfalto natural de Seyssel, executou ensaios e pavimentos em Whitehall e em outros pontos de Londres. Marc Isambard Brunel integrou a administração, e Isambard Kingdom Brunel trabalhou como engenheiro consultor. Outras empresas entraram no mercado ainda naquele ano, e o material passou a ser usado em pavimentos, pisos e impermeabilização.

No início do século XX, a empresa de Claridge participou da criação da Clarmac Roads Ltd., fabricante de macadame ligado com alcatrão. As dificuldades financeiras provocadas pela Primeira Guerra Mundial levaram a Clarmac à liquidação em 1915 e atingiram também a companhia de Claridge, encerrada em 1917.

O betume também teve usos medicinais na Grã-Bretanha do século XIX. Extratos eram vendidos contra catarro, certas formas de asma e infestações por tênia.

Portugal

Nas primeiras décadas do século XX, algumas das estradas portuguesas com mais tráfego começaram a receber revestimentos feitos com alcatrão ou betume. Aplicados sobre o macadame de pedra, esses materiais ajudavam a reduzir a poeira e a proteger a superfície contra o desgaste causado pelo aumento do tráfego automóvel. A Junta Autónoma de Estradas, criada em 1927, passou a coordenar grande parte da construção e da conservação da rede rodoviária nacional.

Na década de 1930, o macadame betuminoso por semipenetração passou a ser usado com mais frequência, sobretudo nas estradas ao sul do rio Tejo. Nesse tipo de pavimento, o ligante penetrava parcialmente na camada de pedra britada e formava uma superfície mais adequada aos veículos motorizados que o macadame simples. A escolha do revestimento dependia do volume de tráfego, do clima e dos materiais disponíveis, e os pavimentos betuminosos foram ocupando uma parcela cada vez maior da rede.

Brasil

No começo do século XX, o asfalto começou a aparecer com mais frequência nas obras de pavimentação urbana do Brasil. A Avenida Central, no Rio de Janeiro, foi inaugurada em 15 de novembro de 1905 com pavimento asfáltico e calçadas em mosaico português. Em 1928, a estrada Rio-Petrópolis tornou-se a primeira rodovia asfaltada do país.

A criação do Departamento Nacional de Estradas de Rodagem em 1937 deu ao governo federal um órgão próprio para planejar, construir e conservar rodovias. A rede pavimentada cresceu mais depressa nas décadas seguintes. A ligação entre Rio de Janeiro e São Paulo, depois chamada de Rodovia Presidente Dutra, foi concluída em 1951, e a ligação Rio-Bahia teve sua pavimentação concluída em 1963.

Estados Unidos

Na costa da Califórnia, povos indígenas usavam betume natural milhares de anos antes da pavimentação moderna. Nas Ilhas do Canal, ele foi encontrado em camadas arqueológicas de 10.000 a 7.500 anos e em cestos de cerca de 5.000 anos. Entre os chumash e outros povos da região, era empregado para vedar recipientes e embarcações, fixar pontas de projéteis e em objetos decorativos. Experimentos com réplicas mostraram liberação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos durante a fabricação, mas não permitem atribuir ao uso desses recipientes problemas de saúde observados em populações antigas.

A pavimentação asfáltica de ruas estadunidenses começou a se difundir na década de 1870, inicialmente com rocha betuminosa natural. Em 1876, a Pennsylvania Avenue, em Washington, D.C., recebeu revestimento asfáltico no lugar do pavimento de blocos de madeira instalado poucos anos antes.

No fim do século XIX, ruas de terra, cascalho, madeira, pedra e tijolo ainda eram comuns. O crescimento do ciclismo estimulou campanhas por vias pavimentadas, e o aumento do uso do automóvel ampliou essa demanda no início do século XX. Cidades maiores já experimentavam diferentes materiais de pavimentação havia décadas, entre eles blocos de madeira e granito.

Washington havia implantado cerca de 334.000 m² de pavimento asfáltico até 1882, e outras cidades adotaram soluções semelhantes. No fim do século XIX, as cidades dos Estados Unidos somavam aproximadamente 25 milhões de m² desse tipo de pavimento. A expansão das ruas pavimentadas acompanhou mudanças no transporte urbano, primeiro com os bondes elétricos e depois com a disseminação do automóvel e das rodovias asfaltadas.

Canadá

As Primeiras Nações das margens do rio Athabasca utilizavam havia muito tempo o betume da região para impermeabilizar canoas. Em 1719, um cree chamado Wa-Pa-Su levou uma amostra para negociar com Henry Kelsey, da Companhia da Baía de Hudson, no primeiro contato europeu documentado com esse material. Em 1787, o comerciante de peles e explorador Alexander Mackenzie visitou as areias betuminosas e descreveu fontes de betume a aproximadamente 39 km da confluência dos rios Athabasca e Clearwater, nas quais seria possível introduzir, sem resistência, uma vara com cerca de 6 m de comprimento.

O depósito tinha valor comercial em potencial, mas faltava uma forma economicamente viável de extrair o betume. A localidade mais próxima, Fort McMurray, era um pequeno entreposto de comércio de peles. Outros mercados ficavam distantes, e o custo do transporte tornava inviável enviar a areia bruta para pavimentação. Em 1915, Sidney Ells, do órgão federal de minas, testou técnicas de separação e usou o produto para pavimentar cerca de 183 m de uma via em Edmonton, Alberta. Outras estradas da província receberam material extraído das areias betuminosas, mas o processo geralmente não era econômico.

Na década de 1920, Karl A. Clark, do Alberta Research Council, patenteou um processo de separação do óleo com água quente. O empresário Robert C. Fitzsimmons construiu a usina de Bitumount, que operou entre 1925 e 1958 e chegou a produzir aproximadamente 50 m³ de betume por dia pelo método de Clark. A maior parte era destinada à impermeabilização de coberturas, mas também havia aplicações em combustíveis, lubrificantes, tintas de impressão, medicamentos, tintas resistentes à corrosão e a ácidos, coberturas resistentes ao fogo, pavimentos, couro envernizado e preservação de mourões. Depois que Fitzsimmons ficou sem recursos, o governo de Alberta assumiu a instalação, posteriormente reconhecida como um dos sítios históricos provinciais de Alberta.

Fotografia e arte

O betume entrou nos primeiros processos fotográficos. Em 1826 ou 1827, o inventor francês Nicéphore Niépce usou o material para produzir Vista da Janela em Le Gras, a mais antiga fotografia preservada de uma cena real. Uma camada fina de betume foi aplicada a uma placa de peltre e exposta à luz em uma câmera. A luz endurecia o revestimento e o tornava insolúvel. Depois da lavagem com solvente, permaneciam apenas as áreas que haviam recebido iluminação suficiente. O procedimento exigia muitas horas de exposição e era pouco prático para a fotografia comum. Das décadas de 1850 a 1920, porém, o betume também foi usado como fotorresiste na fabricação de matrizes para processos de impressão fotomecânica.

Na pintura a óleo dos séculos XVIII e XIX, materiais preparados ou vendidos como asfalto ou betume foram usados para obter tons castanhos e veladuras escuras. Misturas desse tipo podem retardar a secagem do óleo e favorecer enrugamento, fissuras e outras deformações da película de tinta. A relação entre o betume e danos observados em uma obra específica nem sempre pode ser estabelecida apenas pela aparência. O processamento histórico do material altera marcadores químicos usados para identificá-lo, o que dificulta confirmar certas atribuições antigas. Em The Crusader, de Eugène Delacroix, cerca de 1840, o Isabella Stewart Gardner Museum registra explicitamente óleo e betume sobre cartão.