Caracterização Mecânica Complementar – Etapa

A caracterização mecânica complementar envolve os ensaios de módulo de resiliência a 10, 25 e 40°C para avaliação da susceptibilidade térmica, fadiga por compressão diametral à tensão controlada, fluência por compressão uniaxial estática (creep estático) para avaliação da susceptibilidade à deformação permanente e RT após ensaio de creep.

Nesta etapa, visando otimização e economia de materiais, os ensaios foram conduzidos em apenas 8 condições experimentais resultantes de 2 tipos de ligante asfáltico (CAP 50/70 e CAP 30/45) e 4 tipos de fíler (granito, 3,0% de caulim, 1,5% de cal e 3,0% de caulim e 1,5% de cal, simultaneamente).

Foram produzidos 11 CPs, por condição experimental, no teor de projeto definido na Etapa 1. A Etapa 3 consumiu 88 CPs. Considerando toda a pesquisa, foram produzidos e ensaiados 340 corpos de prova.

Para a caracterização mecânica complementar foi adotado o seguinte esquema de ensaios:  Módulo de resiliência para avaliação da susceptibilidade térmica – Por se tratar de

ensaio não destrutivo foram realizados ensaios de MR a 10, 25 e 40°C (ainda em regime elástico) em todos os corpos de prova destinados aos ensaios de creep estático e em metade dos CPs destinados aos ensaios de fadiga. Na outra metade dos CPs de fadiga o MR foi executado somente a 25° C. Desta forma, foram avaliados todos os 88 CPs;  Fadiga por compressão diametral à tensão controlada – Em cada condição

experimental, 8 CPs, com Vv ≈ 4,0%, foram submetidos ao ensaio de fadiga. Escolheu- se este volume de vazios pois o fenômeno de fadiga costuma ocorrer após alguns anos da vida de serviço do pavimento, quando já ocorreu compactação adicional em virtude do tráfego, assim imagina-se estar representando uma situação mais próxima do que acontece em campo. A avaliação dos modelos de fadiga envolveu a análise mecanística de pavimentos no software mePADS. Foram consumidos 64 CPs nesta avaliação;  Fluência por compressão uniaxial estática – 3 CPs, por cada tipo de mistura, foram

submetidos ao ensaio de creep estático, à 40°C, com tensão de 0,4 MPa e Vv ≈ 7,0% para avaliações relativas à deformação permanente. O Vv mais elevado foi escolhido de modo a melhor representar a condição da massa asfáltica no início da vida de serviço, antes de sofrer a compactação adicional do tráfego, e, portanto, mais propensa a apresentar deformação permanente. 24 CPs foram utilizados nos ensaios de creep e depois reaproveitados nos ensaios de RTcreep;

 RT após creep estático – Como o ensaio de creep estático é não destrutivo, optou-se por realizar ensaio de RT em todos os CPs após a execução do ensaio de avaliação da susceptibilidade à deformação permanente. Assim foi possível comparar os valores de RT após diferentes usos prévios do CP (virgem, após condicionamento térmico do ensaio DUI e após creep). Foram consumidos 24 CPs nesta análise.

Os parâmetros da caracterização mecânica complementar foram analisados à luz dos fatores “tipo de ligante asfáltico” e “tipo de fíler”. Adicionalmente foi realizada análise estatística, por meio de regressão linear, para entender se há correlações significativas entre os parâmetros de caracterização do fíler e os resultados dos ensaios de caracterização mecânica complementar.

Destaca-se que na Etapa 3 os parâmetros de caracterização do fíler resumem-se a D10, D30, D60 e MF. Como há somente 2 teores de caulim nesta Etapa (0 e 3%) a regressão linear fica inviabilizada.

A seguir, descrevem-se os procedimentos de: (i) ensaio de módulo de resiliência (10 e 40°C); (ii) ensaio de fadiga por compressão diametral à tensão controlada, (iii) ensaio de fluência por compressão uniaxial estática, e; (iv) análise mecanística de pavimentos no software mePADS. Os procedimentos do ensaio de RT após creep são exatamente os mesmos descritos na seção 3.2.2.2. Todos os ensaios foram realizados no Laboratório de Estradas do Departamento de Engenharia de Transportes da EESC/USP.

3.2.3.1 Ensaio de Módulo de Resiliência (MR) em diferentes temperaturas para avaliação da susceptibilidade térmica

O método de execução do ensaio, forma de cálculo e de escolha do valor representativo do MR foram os mesmos dos ensaios a 25° C, havendo diferenças na magnitude das cargas aplicadas para atingir o nível de deformação estabelecido (0,0025 ± 0,0005 mm), no tempo de condicionamento térmico e nos valores de coeficiente de Poisson. Para 10° C, as cargas foram da ordem de 250 kgf, enquanto que para 40° C, aplicaram-se cargas de aproximadamente 50 kgf. Em ambos os casos, os CPs permaneceram 24 horas na câmara térmica na temperatura do ensaio para estabilização de temperatura. Para 10°C, µ = 0,21 e para 40°C, µ = 0,47, sendo que os valores de coeficiente de Poisson foram adotados com base em Mohammad et al. (2000).

Os corpos de prova foram ensaiados na seguinte ordem de temperatura: primeiro, a 25°C, de modo a possibilitar comparações entre os MR de todos os CPs, sem prévia realização de qualquer outro ensaio; segundo, a 10°C e, por último, a 40°C para evitar acúmulos de danos e deformações permanentes nos corpos de prova.

A susceptibilidade térmica foi avaliada por meio do Parâmetro de Susceptibilidade Térmica (PST), que corresponde à taxa de variação de MR, em um determinado intervalo de temperatura (Δt), conforme indicado na Equação 3.5, em que A representa a menor temperatura e B a maior temperatura. Assim: (i) PST ≥ 1,00 e; (ii) valores de PST próximos a 1,00 indicam misturas menos susceptíveis a variação de rigidez devido à variação de temperatura, ou seja, misturas

com menor susceptibilidade térmica. Por outro lado, quanto maior o valor de PST, maior será a susceptibilidade térmica.

𝑃𝑆𝑇𝐴,𝐵= 𝑀𝑅𝐴

𝑀𝑅𝐵 (3.5)

3.2.3.2 Ensaio de fadiga por compressão diametral à tensão controlada

O protocolo do ensaio consistiu na aplicação de cargas cíclicas de compressão diametral com frequência de 1 Hz (60 ciclos por minuto), sendo que o período de carregamento é de 0,1 s e o período de repouso é de 0,9 s, até a ruptura do CP, a uma temperatura de 25° C. As cargas aplicadas correspondem aos valores de tensão de 10, 20, 30 e 40% da RT, obtidos na Etapa 2, para cada tipo de mistura. Na Figura 3.10 são apresentados o ciclo de carregamento (a) e o aparato utilizado no ensaio de fadiga por compressão diametral à tensão controlada (b).

(a) (b)

Figura 3.10 – Ciclo de carga e aparato do ensaio de fadiga por compressão diametral à tensão controlada

Fonte: (a) Norma DNIT 183/2018 – ME.

Correlaciona-se a diferença de tensões (Δσ) a qual o CP está submetido, calculada pela equação 3.6, ao número de aplicações de carga até a ruptura do corpo de prova (N), mediante a equação 3.7. Obtém-se os coeficientes k1 e k2 por regressão. Para cada tipo de mistura asfáltica da Etapa 3 foi gerado um modelo de fadiga.

∆𝜎 = 8 × 𝐹 × 9,81

𝑁 = 𝑘1× ( 1 ∆𝜎) 𝑘₂ (3.7) Em que:

Δσ = Diferença de tensões no centro do CP (MPa) / F = carga de aplicada no ensaio (kgf), correspondente a 10, 20, 30 ou 40% da carga de ruptura do ensaio de RT / D = diâmetro do CP (mm) / H = altura do CP (mm) / N = Vida de fadiga / k1 e k2 = parâmetros determinados por regressão (modelo de potência).

Houve um intervalo de no mínimo sete dias entre a execução dos ensaios de MR em diferentes temperaturas para avaliação da susceptibilidade térmica e a realização do ensaio de vida de fadiga para um mesmo CP.

Em cada nível de tensão (10, 20, 30 e 40% da RT) foram ensaiados 2 CPs, sendo que um foi previamente submetido aos ensaios de MR a 10°, 25° e 40° C para avaliação da susceptibilidade térmica (ST) e o outro recebeu ensaio de MR somente a 25° C. Uma vez observada essa condição, a escolha dos CPs por nível de tensão foi aleatória. Antes de executar o ensaio, o CP foi colocado em câmara térmica a 25° C por no mínimo 4 horas.

Cabe destacar que quando os ensaios de fadiga desta tese foram realizados ainda não havia a norma DNIT 183/2018 – ME. O procedimento descrito foi utilizado por Iwanaga (2007) e Bardini (2013) no Laboratório de Estradas do Departamento de Engenharia de Transportes da EESC/USP.

3.2.3.3 Ensaio de fluência por compressão uniaxial estática – creep estático

Este ensaio consistiu na aplicação de uma carga contínua de compressão de 0,4 MPa, durante 3600 s, imediatamente sucedida por um período de recuperação (sem aplicação de carga) de 900 s, totalizando 4500 s, na temperatura de 40°C. A escolha da tensão de 0,4 MPa e temperatura de 40°C estão baseadas em Little, Button e Youssef (1993). As leituras dos carregamentos e deslocamentos axiais sofridos pelo CP foram obtidas por dois LVDTs e os resultados dos ensaios referem-se à média das leituras destes dispositivos.

Antes da execução do ensaio foram necessários os seguintes procedimentos: (i) lixamento das faces do CP para remoção de irregularidades superficiais, visando garantir paralelismo das faces e melhor acomodação da placa que faz a aplicação da carga; (ii) condicionamento térmico de 24 horas na temperatura do ensaio, e (iii) pré-condicionamento de carregamento onde os CPs receberam a aplicação da tensão de 0,4 MPa por 300 segundos, seguidos de um período de recuperação de mesma duração.

O ensaio de creep estático fornece parâmetros para analisar a susceptibilidade da mistura asfáltica à deformação permanente. Dentre eles destacam-se: (i) Deformação total da mistura durante os 4500 s do ensaio (Dt), expressa em mm/mm e calculada pela na equação 3.8; (ii) Recuperação da deformação (Rec), expressa em porcentagem e calculada pela equação 3.9; (iii) Módulo de fluência (MPa) após o período de recuperação da mistura (Mf), calculado pela equação 3.10, e; (iv) Inclinação do estágio secundário da curva de deformação versus tempo de carregamento (Icurva), adimensional e calculada pela equação 3.11.

𝐷𝑡 = ∆ℎ4500 ℎ0 (3.8) 𝑅𝑒𝑐 = ( ∆ℎ3600 ℎ0 − 𝐷𝑡 ∆ℎ3600 ℎ0 ) × 100 (3.9) 𝑀𝑓 = 𝜎 𝐷𝑡 (3.10) 𝐼𝑐𝑢𝑟𝑣𝑎= log 𝜀3600− log 𝜀1000 log 3600 − log 1000 (3.11) Em que:

Δh4500 = variação da altura do corpo de prova após 4500 s (mm) / h0 = altura inicial do CP (mm) / Δh3600 = variação da altura do corpo de prova após 3600 s (mm) / σ = nível de tensão do ensaio (MPa) / Logε3600 = deformação para 3600 s de ensaio / Logε1000 = deformação para 1000 s de ensaio.

A aquisição dos dados dos LVDTs e os cálculos dos parâmetros indicados acima foram efetuados por meio de um programa em plataforma Labview 7.1. Na Figura 3.11 são mostradas: (a) a tela do software em plataforma Labview 7.1 e (b) foto do CP em posição de ensaio.

(a) (b)

Figura 3.11 – Creep estático: (a) tela do programa do ensaio (b) aparato do ensaio

Houve um intervalo de no mínimo sete dias entre a execução dos ensaios de MR em diferentes temperaturas para avaliação da susceptibilidade térmica e a realização do ensaio de creep estático para um mesmo CP.

Apesar de haver norma brasileira para ensaios de avaliação de susceptibilidade à deformação permanente de misturas asfálticas (NBR 16.505/2016), optou-se por usar o ensaio de creep estático pois a altura dos CPs requeridos pela NBR 16.505/2016 (150 ± 2,5 mm) é incompatível com a altura dos CPs produzidos no aparato Marshall. Os procedimentos aqui descritos vêm sendo utilizado com frequência no Laboratório de Estradas do STT/EESC/USP, como se observa nos trabalhos de Taira (2001), Gouveia (2006) e NG (2013).

3.2.3.4 Análise mecanística de pavimentos no software mePADS

Avaliou-se a vida de fadiga por meio de simulação de quatro estruturas de pavimentos (A, B, C e D) no software sul-africano mePADS (Mechanistic-Empirical Pavement Design and

Analysis Software) que calcula tensões, deformações e deflexões na estrutura de pavimentos,

Os quatro pavimentos foram dimensionados pelo método do DNIT e resultaram da combinação de dois diferentes subleitos com CBR de 5 e 10%, e dois níveis de tráfego (N = 106 e N = 107). Arbitrou-se que os pavimentos seriam compostos apenas por capa asfáltica e base granular. As diferenças de tensões na fibra inferior da capa (Δσ) foram analisadas em 3 pontos (1, 2 e 3), indicados na Figura 3.12, na qual também são detalhadas as estruturas dos 4 pavimentos, as condições de carregamento (eixo padrão com 20 kN por roda e pressão de enchimento de pneus = 560 kgf/cm²) e os valores de MR e coeficiente de Poisson (µ) de cada camada, adotados em conformidade com a Instrução de Projeto IP-DE-P00/001 do DER/SP.

Figura 3.12 – Estruturas dos tipos de pavimentos considerados na análise mecanística

Após os cálculos do mePADS, as máximas diferenças de tensões na fibra inferior da capa foram incluídas nos modelos de fadiga para comparação entre os diferentes tipos de mistura.

Considerando a grande a variabilidade das propriedades mecânicas das camadas dos pavimentos em função de alterações de temperatura, níveis de tensão, grau de compactação, dentre outros, e a grande variabilidade de carregamentos aos quais um pavimento está submetido em razão da variação da carga e pressão de enchimento de pneus, foi realizada uma análise de sensibilidade da vida de fadiga. Para tanto, alterou-se isoladamente o valor de cada parâmetro de entrada de dados no software em ± 25% (condições de carregamento, propriedades mecânicas e espessuras das camadas), mantendo os demais parâmetros de entrada em seus valores de referência.