Influência dos materiais e da temperatura na compactabilidade

As características das misturas betuminosas, nomeadamente a granulometria, tipo e proporções das várias fracções de agregado, o tipo e quantidade de betume, bem como a temperatura, determinam o crescimento da baridade com o esforço de compactação aplicado. A temperatura intervém pela variação do comportamento

CAPÍTULO 2 – COMPACTAÇÃO DE MISTURAS BETUMINOSAS: ESTADO DA ARTE

investigações recentes sobre a influência das características das misturas e da temperatura na sua compactabilidade. Como o âmbito deste trabalho são as misturas betuminosas a quente, com necessidade de compactação, os pontos apresentados de seguida apenas se centram neste tipo de misturas.

Granulometria

A granulometria de uma mistura é a característica que define o tipo de mistura betuminosa e os objectivos de desempenho pretendidos. De uma forma geral existem misturas de granulometria contínua e descontínua. Em Portugal predominam as misturas contínuas, no entanto a norma europeia EN 13108 prevê 7 tipos de misturas betuminosas, das quais apenas um dos tipos é preferencialmente contínua (betão betuminoso – parte 1). De acordo com a granulometria e com as funções pretendidas é seleccionado o tipo e quantidade de betume a utilizar na mistura, com variações grandes entre misturas. As granulometrias típicas dos 4 principais tipos de misturas betuminosas são representadas na Figura 2.34.

0 20 40 60 80 100 0,01 0,1 1 10 100

Abertura dos peneiros (mm)

% P assad o s Betão Betuminoso SMA Betão Drenante Hot Rolled Asphalt

Figura 2.34 – Curvas granulométricas típicas dos principais tipos de misturas betuminosas a quente

O betão betuminoso representa as misturas contínuas, densas, a utilizar quer em camadas estruturais quer em camadas de desgaste. O Hot Rolled Asphalt é uma mistura apenas utilizada no Reino Unido, constituída por agregado sem as fracções intermédias, e em que devido ao betume duro e à grande quantidade de finos utilizados gera uma mistura com baixa porosidade e boa resistência mecânica. O Stone Mastic Asphalt, vulgarmente designado por SMA, a aplicar em camadas de desgaste, é uma mistura com elevado conteúdo de agregado grosso com os vazios preenchidos por um mastique betuminoso. O betão betuminoso drenante, Porous Asphalt, é uma mistura constituída por agregado essencialmente grosso mas com os vazios ligados, devido à pequena quantidade de mastique, de modo a assegurar funções drenantes e acústicas.

Renken (2004), no âmbito da avaliação da resistência à compactação com base na norma EN12697-10 (2001), estudou a influência da granulometria, através da variação dos retidos num peneiro intermédio (2 mm), em misturas betuminosas contínuas e descontínuas, com resultados resumidos na Figura 2.35. Verifica-se que na mistura continua do tipo betão betuminoso (AC – Asphalt Concrete na terminologia anglo-saxónica) a resistência é mínima para o valor intermédio enquanto para as restantes misturas a resistência varia na proporção inversa aos retidos no peneiro 2 mm.

Figura 2.35 – Resistência à compactação T, função dos retidos no peneiro 2 mm em 3 tipos de misturas betuminosas – Renken (2004)

Para a determinação da curva granulométrica dos agregados que conduz à máxima baridade é corrente utilizar a expressão (2.24), desenvolvida por Fuller e Thompson em 1907. O valor de n depende do tipo de agregado da mistura, sendo corrente o valor de 0,45 também utilizado no método de formulação SUPERPAVE. Para a dimensão máxima do agregado das misturas consideradas anteriormente, 5, 8, 11 e 16 mm obtém-se os retidos no peneiro 2 mm, respectivamente, 34, 46, 54 e 60 %. Desta forma conclui-se que resistência à compactação é mínima para uma granulometria que conduz à máxima baridade. Num estudo de 1980 Renken, citado por Jönsson (2000), concluiu adicionalmente que para a mesma mistura betuminosa o valor da resistência mínima depende do tipo de agregado, como se pode verificar na Figura 2.36, e em concordância com a expressão da curva granulométrica para a máxima baridade.

n max D D P _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = (2.24) Em que:

P – percentagem de passados no peneiro de abertura D (%) D – abertura do peneiro (mm)

Dmax – dimensão máxima do agregado da mistura (mm)

n – potência (-)

Figura 2.36 – Resistência à compactação C, função dos retidos no peneiro 2 mm e do tipo de agregado para a mesma mistura betuminosa – Jönsson (2000)

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Dimensão máxima dos agregados – Dmax

A dimensão máxima das partículas de agregado da mistura betuminosa influencia a compactação devido à relação com a espessura da camada. Teoricamente seria possível pavimentar uma camada com uma espessura igual à dimensão das maiores partículas presentes na mistura, mas tal criaria problemas de fragmentação do agregado e formação de uma estrutura mineral inadequada devido ao impedimento da reorientação das partículas. Na prática os valores especificados da espessura pelas administrações rodoviárias estão entre 3 e 4 vezes a dimensão nominal máxima das partículas (dimensão da abertura do peneiro que retêm no máximo 10% do agregado), Jönsson (2000), Hodges (2002).

Em Portugal, o caderno de encargos da APORBET (1998), de acordo com os valores de Dmax e de espessuras

mínimas/máximas indicados, induz valores de espessura/Dmax mínimos de 2 (microbetão betuminoso rugoso)

até 4,4 para a mistura betuminosa de alto módulo e máximo de 6,3 para a argamassa betuminosa. Nos EUA, antes da entrada em vigor do método SUPERPAVE o rácio mínimo especificado pela maioria das administrações estaduais era 2, tendo sido aumentado nos últimos anos após a entrada em vigor do novo método de formulação por dificuldades sentidas em obra, Paye & Bahia (2001), Brown et al. (2004).

Paye & Bahia (2001), Brown et al. (2004) estudaram a influência da relação espessura/Dmax na compactação,

em laboratório e em obra, para vários tipos de misturas betuminosas e constituintes (agregado e betume). Os ensaios de compactação laboratorial com o compactador giratório permitiram concluir que existe uma forte influência do rácio, embora com correlação de outros factores intrínsecos à mistura. O rácio óptimo obtido está entre 4 e 6 no primeiro estudo e entre 2,5 e 8 para o segundo. O segundo estudo analisou também a compactação no compactador vibratório tendo concluído que este método não é sensível à variável em análise.

Relativamente aos ensaios de obra as conclusões são opostas. No estudo de Paye & Bahia (2001) foi concluído que o aumento na espessura da camada não é favorável, aumentando mesmo em certos casos a dificuldade em atingir o grau de compactação desejado. Pelo contrário nos 7 trechos de ensaio analisados por Brown et al. (2004), com misturas e meios de compactação diversos, existiu sempre um intervalo de espessuras com maiores graus de compactação. Para valores inferiores ou superiores da espessura em relação ao intervalo óptimo, dependendo do binómio mistura-meios de compactação, a porosidade final foi superior. Neste estudo é concluído que nas misturas do tipo fine graded, próximas das contínuas europeias, a espessura deverá ser pelo menos 3 vezes superior à dimensão máxima do agregado enquanto nas misturas descontínuas, coarse graded, com forte componente de agregado grosso, este valor deverá ser aumentado para 4.

Tipo e quantidade de Filer

Antigamente considerava-se que o mastique betuminoso era constituído apenas por betume e filer (agregado menor que 0,075 mm), cuja função era aglutinar o restante agregado da mistura e preencher os vazios do esqueleto mineral de modo a garantir compacidade, impermeabilidade e trabalhabilidade às misturas betuminosas.

Actualmente a definição mais aceite considera a inclusão de todo o agregado fino, menor que 2 mm. O mastique, constituído pelos elementos mais finos da mistura betuminosa, forma uma matriz com comportamento visco-plástico que envolve e mantém ligados os agregados grossos, com comportamento elástico. Silva (2005)

Apesar desta alteração, é considerado que as propriedades do filer são distintas das do restante agregado fino. O filer é um material activo, ao contrário do restante agregado fino, devido às características superficiais de material muito fino, com consequência na ligação filer-betume. Silva (2005) apresenta as conclusões de um estudo efectuado por J. Craus, I. Ishai e A. Sides (1978) sobre a influência das características físico-químicas de diferentes tipos de filer no comportamento do mastique e das misturas betuminosas. Neste estudo comprovaram que a irregularidade geométrica do filer (forma e textura superficial) afecta o teor óptimo de betume, as propriedades interfaciais do sistema filer-betume e o comportamento reológico do mastique, com consequências naturalmente no desempenho mecânico das misturas betuminosas.

O aumento da irregularidade geométrica traduz-se no aumento da superfície específica e da actividade superficial. O primeiro factor diminui a quantidade de betume não ligado ao filer e o segundo aumenta a adsorção de betume pelo filer. Ambos aumentam a consistência ou viscosidade do mastique.

No entanto, a actividade superficial depende maioritariamente da composição mineralógica e química do filer, tendo um papel fundamental no tipo de adsorção criada. Por exemplo, a adsorção entre um betume e a cal hidráulica é bastante forte, com ligação química, enquanto com um filer silícioso a adsorção é fraca devido à ligação essencialmente mecânica de moléculas polares com forças de Van der Waals.

Segundo Cooley et al (1998), citado por Silva (2005), o ensaio mais adequado para avaliar o potencial de um filer no endurecimento do mastique é o volume de vazios de Ridgen modificado, apresentando-se também como o melhor indicador do comportamento dos mastiques e das misturas betuminosas, do conjunto de ensaios caracterizadores do filer. A normalização europeia prevê a realização deste ensaio, EN1097-4 (2003).

Desta forma a imposição de um determinado rácio filer/betume nos cadernos de encargos em vigor, APORBET (1998), JAE (1998), é uma metodologia demasiado simplificada, não prevendo o efeito no filer

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no mastique/mistura betuminoso/a.

A descrição do fenómeno da ligação filer-betume ajuda a compreender os estudos contraditórios sobre a influência do filer na compactação das misturas betuminosas. Jönsson (2000) cita um estudo de Renken de 1980 em que este avaliou a influência do aumento da quantidade de filer, com quantidade constante de betume, na resistência à compactação C, (2.17), tendo concluído que para os três tipos de filer estudados existe diminuição da resistência com o aumento da quantidade de filer, Figura 2.37.

Figura 2.37 – Resistência à compactação C, função da quantidade de filer na mistura betuminosa – Jönsson (2000) O mesmo autor num estudo mais recente, Renken (2004), no âmbito da avaliação da resistência à compactação com base na norma EN12697-10 (2001), concluiu que nos três tipos de misturas betuminosas testadas o aumento da quantidade de filer é benéfico, Figura 2.38, confirmando o estudo anterior. Verifica-se uma redução do valor de T com o aumento da quantidade de filer. No entanto, as misturas não apresentam a mesma amplitude de variação de T, concluindo-se que o restante agregado fino é também relevante.

Figura 2.38 – Resistência à compactação T, função da quantidade de filer em 3 tipos de misturas betuminosas – Renken (2004)

Jönsson (2000) cita um outro estudo em que foi concluído que para quantidades pequenas de filer este é benéfico porque a granulometria fica mais próxima da contínua. No entanto, com o aumento da quantidade de filer a rigidez do mastique aumenta tornando a mistura menos compactável. Estas mesmas conclusões são apresentadas por Kandil (2002) citando um outro estudo.

Forma e rugosidade das partículas de agregado

Na formulação das misturas betuminosas, os cadernos de encargos definem determinadas exigências relativamente à forma e rugosidade das partículas. A experiência indica que agregados britados com forma aproximadamente cúbica e um número elevado de faces rugosas permitem obter um maior imbricamento das partículas de agregado, com clara melhoria das propriedades mecânicas nomeadamente a resistência às deformações permanentes. Neste caso, perante condições de carregamento lento e temperaturas elevadas é a estrutura de agregado que mais influencia a resistência às cargas impostas. Por exemplo a metodologia de formulação SUPERPAVE, AI (2001), elevou a exigência das características dos agregados fundamentado nestes mesmos princípios.

Os agregados a utilizar em misturas betuminosas, segundo a norma EN 13043 (2004), devem cumprir determinados requisitos de textura e forma (índice de achatamento, índice de forma, percentagem de superfícies britadas e coeficiente de escoamento) definidos pela norma EN 933, partes 3, 4, 5 e 6. Os índices de forma e de achatamento, que substituíram os índices de alongamento e de lamelação, medem a percentagem de partículas alongadas e lamelares, mais frágeis que as de forma aproximadamente cúbica. Os dois outros elementos referem-se à textura das partículas, medindo o número de faces britadas (agregado maior que 4 mm) e a angulosidade, por respectivamente, inspecção visual e medição do tempo para escoar o agregado em condições normalizadas. O coeficiente de escoamento é influenciado pela forma e textura do agregado.

O aumento da resistência da estrutura mineral da mistura às deformações desenvolve-se, como seria previsível, em todo o espectro de temperaturas. Assim a experiência indica que quanto maior a rigidez da mistura, para um mesmo betume e sem aditivos, maior a resistência à compactação. Na Figura 2.39 apresenta-se a correlação entre a rigidez, determinada pelo ensaio de compressão uniaxial estático, e a resistência à compactação T, para várias misturas betuminosas, comprovando a afirmação anterior, Renken (2004).

Figura 2.39 – Correlação entre a rigidez da mistura e a resistência à compactação T – Renken (2004)

Renken (2004) estudou também a influência do aumento da quantidade de agregado rolado, em detrimento de agregado britado, na resistência à compactação. O agregado rolado não tem faces britadas e a

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angulosidade é baixa. De acordo com a Figura 2.40 verifica-se que nas três misturas, do tipo betão betuminoso (AC) com diferentes Dmax, a resistência duplica da situação sem agregado britado para 100% de

agregado britado. Esta evidência está de acordo com o descrito em os todos os manuais relativos a misturas betuminosas e pavimentação consultados.

Figura 2.40 – Resistência à compactação T, função da quantidade de agregado britado em 3 misturas betuminosas – Renken (2004)

A metodologia de formulação SUPERPAVE, relativamente à textura dos agregados, exige que o agregado grosso (maior que 4,75 mm) possua uma percentagem mínima de agregado com 2 ou mais faces britadas e uma angulosidade mínima para o agregado fino (menor que 2,36 mm), definido pela porosidade do agregado compactado por queda livre de um funil em condições normalizadas.

Stakston & Bahia (2003) estudaram a influência da angulosidade do agregado fino (FAA), da origem dos agregados e do tipo e volume de betume no comportamento das misturas betuminosas à compactação no compactador giratório, com os conceitos da metodologia da Universidade do Wisconsin, presentes na Figura 2.31. A variação de FAA é obtida pela mistura de percentagens diversas de agregado britado e rolado. Os resultados permitiram concluir que o aumento de FAA induz um aumento de CDI em mais de 80% das misturas testadas, que segundo a metodologia se traduz numa menor compactabilidade da mistura em obra. O aumento é fortemente dependente da granulometria, da origem dos agregados e do tipo de betume. Relativamente ao comportamento previsível em serviço os resultados são inconclusivos pois dependendo da origem dos agregados e da granulometria pode haver aumento ou diminuição de TDI com o aumento de FAA.

Relativamente à presença de partículas lamelares e alongadas (F&E), Aho et al. (2001) apresentam os resultados de um estudo sobre a evolução da percentagem de partículas F&E ao longo do processo construtivo de uma camada de misturas betuminosas, desde a pedreira até ao fim da compactação em obra, e no compactador giratório. A detecção da fragmentação destas partículas é avaliada pela variação dos passados no peneiro nº 4 (série ASTM) após extracção do betume, de acordo com o defendido por Brown et al. e Oduroh et al. (citados no texto). Os resultados mostraram que nos casos analisados existiu quebra de partículas F&E sempre que o volume de partículas era elevado. Durante a compactação apenas se verificou

quando a espessura era diminuta enquanto para espessuras normais detectou-se durante todas as fases até chegar à pavimentadora, com dependência da classe de resistência à abrasão determinada pelo ensaio de Los Angeles. A compactação das mesmas misturas no compactador giratório gerou um volume de factura de partículas muito maior que o verificado durante o processo de compactação.

Os dados apresentados permitem concluir que a formulação da mistura com agregados recolhidos junto à central, a verificação da granulometria da mistura fabricada e a existência de uma espessura mínima da camada, relativamente à dimensão máxima dos agregados, torna-se ainda mais importante quando existem partículas lamelares e alongadas.

Tipo e quantidade de betume e temperatura

O betume influência as propriedades das misturas betuminosas em função da quantidade e do tipo de betume. A quantidade de betume activo, excluindo o absorvido pelo agregado, deve ser suficiente para recobrir todas as partículas de agregado de forma a assegurar as propriedades pretendidas: estabilidade, flexibilidade, durabilidade, resistência à fadiga, impermeabilidade, trabalhabilidade e compactabilidade. A reologia do betume é dependente da temperatura, podendo o comportamento variar de perfeitamente elástico a perfeitamente viscoso apenas pela variação da temperatura. Assim a análise das duas variáveis (betume e temperatura) não pode ser dissociada.

Durante as fases de espalhamento e compactação pretende-se que o betume/mastique actue como lubrificante de forma a permitir que as partículas de agregado se movimentem no sentido de uma estrutura compacta, resistente e durável, e simultaneamente que dote a mistura da coesão necessária. Estas funções dependem da espessura do filme de betume que recobre as partículas, função da quantidade de betume, e da viscosidade do betume, função do tipo de betume e da temperatura da mistura. A viscosidade é uma medida do atrito interno de um fluido.

Segundo Chadbourn et al. (1998) e Nijboer (1942, 1948), citado em Huerne (2004), como a viscosidade do betume varia com a temperatura, a temperatura óptima é a que permite uma menor resistência ao corte entre as partículas de agregado, admitindo que a mistura betuminosa consegue suportar as cargas dos cilindros sem deformações elevadas. Para temperaturas menores o betume é muito viscoso e aumenta a resistência ao movimento das partículas enquanto para temperaturas mais altas, como a viscosidade é baixa, a película de recobrimento não actua e o atrito inter-partículas dificulta o movimento do agregado. Segundo Nijboer o betume actua como lubrificante parcialmente hidrostático, pois apenas consegue baixar ligeiramente o atrito “seco” em comparação à utilização de água, fluido não lubrificante. Se a temperatura for muito elevada, viscosidade muito baixa, a mistura não possui coesão e não consegue resistir aos esforços dos cilindros, originando compactações e descompactações sucessivas. Na Figura 2.41 é ilustrada a variação do grau de compactação de provetes compactados em laboratório com o compactador Marshall a diferentes

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temperaturas (40-175 ºC), podendo concluir-se que existe um patamar de temperaturas no qual é possível atingir um Gc similar e para temperaturas decrescentes o Gc final acompanha esta variação.

Figura 2.41 – Influência da temperatura no grau de compactação de provetes laboratoriais, após 50 pancadas no compactador Marshall – DYNAPAC (1989)

De acordo com inúmeros autores, DYNAPAC (1989), HAMM (1999), Jönsson (2000), BOMAG (2003), Stakston & Bahia (2003), Renken (2004), na generalidade uma maior quantidade de betume facilita a compactação. Na Figura 2.42 é ilustrada a variação da resistência à compactação T, segundo a norma EN12697-10 (2001), para três tipos de misturas betuminosas, determinada por Renken. Em todas se verifica um decrescimento da resistência com o aumento da quantidade de betume, embora com amplitudes de variação dependentes do tipo de mistura (restantes propriedades da mistura).

Figura 2.42 – Resistência à compactação T, função da quantidade de betume em 3 misturas betuminosas – Renken (2004)

Segundo Paulmann (1969), citado em Huerne (2004), se o volume de betume continuar a aumentar as bolhas de ar presas na mistura betuminosa e o betume vão pressionar as partículas de agregado impedindo a sua aproximação e consequentemente a formação da estrutura mineral densa e resistente pretendida.

Em função da quantidade e tipo de betume, granulometria e propriedades dos agregados, as misturas betuminosas apresentam diferentes susceptibilidades térmicas. Na Figura 2.43 é ilustrada a variação do esforço de compactação E2, número de pancadas Marshall para obter um determinado grau de compactação,

de compactação E2 com a diminuição da temperatura, para o mesmo grau de compactação pretendido. No

entanto, verifica-se que a mistura a) apresenta uma pequena susceptibilidade térmica, pois entre a 110 e 160 ºC o aumento de E2 é pequeno, enquanto a mistura b) apresenta uma grande susceptibilidade à

temperatura de compactação.

a) b)

Figura 2.43 – Variação do esforço de compactação E2 com o Gc, função da temperatura, para duas misturas com

susceptibilidades térmicas diferentes – Renken (2004)

Tradicionalmente, para a formulação das misturas betuminosas em laboratório, os cadernos de encargos, APORBET (1998), JAE (1998), definiam que as temperaturas de mistura e compactação deveriam ser determinadas com base no diagrama BTCD – Bitumen Test Chart Data, desenvolvido por Heukelom, para uma viscosidade cinemática de mistura e compactação, respectivamente, 170 ± 20 cSt e 280 ± 30 cSt. Segundo Khatri et al. (2001) estes valores são utilizados à mais de 40 anos desconhecendo-se as razões da sua definição inicial. A mistura deve ser produzida na central de misturas à mesma temperatura utilizada em laboratório, enquanto para a compactação, SHELL (2003) aconselha a execução para um intervalo de temperatura equivalente ao intervalo de viscosidade 2 – 20 Pa.s. A temperatura de compactação em obra é afectada por diversos factores, como a distância de transporte da central à obra, o equipamento de transporte, os meios disponíveis em obra, a espessura da camada, condições atmosféricas, etc. Estes conceitos são