Processos de compactação laboratorial

Até ao momento apenas se referiu que existem vários métodos de compactação laboratorial utilizados para a determinação da baridade de referência, os mesmos da formulação da mistura betuminosa quando utilizada a baridade dos provetes compactados em laboratório. A forma como estes métodos de compactação laboratorial influenciam as propriedades da mistura é importante pois é utilizada correntemente quer para a avaliação das propriedades mecânicas do pavimento quer como elemento padrão para comparação das características obtidas em obra. Assim de seguida são apresentados os compactadores laboratoriais mais utilizados e posteriormente uma pequena discussão em torno das capacidades de cada um em fabricar provetes semelhantes aos de obra.

Compactador de impacto – Marshall

O compactador por impacto, designado correntemente por compactador Marshall, foi desenvolvido nos anos 30 do século XX por Marshall com base na modificação do compactador Proctor, utilizado por Hubbard e Field na compactação de misturas betuminosas. Devido à elevada difusão do método de formulação empírico Marshall a nível mundial é ainda hoje o método de compactação laboratorial mais utilizado.

O procedimento consiste em compactar por impacto uma amostra de mistura betuminosa num molde, com diâmetro interior de 101,6 ± 0,1 mm, através da queda de uma massa deslizante (4550 ± 20 g) a altura fixa (460 ± 3 mm) num determinado número de vezes (25, 50, 75 ou 100) em cada topo do provete. Este método aplica-se a misturas betuminosas com máxima dimensão do agregado até 22,4 mm. A recente normalização europeia de misturas betuminosas, EN12697-30 (2004), inclui este método com o

propósito da formulação (metodologia empírica), medição da compactabilidade e obtenção da baridade de referência. Antes da normalização o procedimento podia ser manual ou automático enquanto agora apenas é aceite a compactação de forma automática.

O método permite apenas uma pequena reorientação do agregado e por vezes provoca mesmo degradação. É consensual na comunidade científica que não é um método adequado de simulação da compactação em obra.

Figura 2.17 – Compactador por impacto – CONTROLS (2005)

CAPÍTULO 2 – COMPACTAÇÃO DE MISTURAS BETUMINOSAS: ESTADO DA ARTE

Compactador giratório

Com este equipamento a mistura betuminosa é compactada pela combinação de uma carga vertical estática e uma acção de corte originada pelo movimento de rotação imposto ao molde, com inclinação vertical de um ângulo pequeno, segundo o seu eixo vertical, descrevendo uma superfície cónica de revolução, de acordo com o ilustrado na Figura 2.18. Conforme a carga aplicada, ângulo do molde e velocidade de rotação a mistura betuminosa é compactada de forma distinta para o mesmo número de rotações. É o método de compactação laboratorial utilizado no método de formulação SUPERPAVE e normalizado na Europa pela EN12697-31 (2004), prevendo a sua utilização na avaliação da compactabilidade e da baridade de referência (normal e recusa) e na preparação de provetes para ensaios de caracterização mecânica.

Figura 2.18 – Princípio de actuação do compactador giratório – EN12697-31 (2004) O compactador giratório, apesar da sua longa história, apenas conseguiu

notoriedade nos últimos 15 anos. O primeiro modelo, manual, designado de Compactador Giratório do Texas, foi criado por elementos do Departamento de Estradas do Texas e normalizado em 1946, Harman et al. (2002). Nos anos 60 e 70, o LCPC criou um modelo automático a partir do compactador giratório do Texas, designado de Prensa de Corte Giratório, Moutier (1982). Enquanto no primeiro modelo o ângulo do molde e a velocidade eram elevados, respectivamente 6º e 60 rpm, provocando uma compactação rápida em 15 a 18 rotações, no segundo estes parâmetros foram reduzidos para 1,25º e 6 rpm e carga fixa em 600 kPa. No início dos anos 90, nos EUA, no âmbito do programa SHRP, o compactador foi optimizado para o método de formulação SUPERPAVE, especificando o ângulo do molde, a velocidade de rotação e a carga estática, respectivamente, em 1,25º, 30 rpm e 600 kPa. O número de rotações a que o provete é sujeito depende do objectivo e da classe de tráfego da estrada. O modelo mais recente, normalizado na Europa, com base na experiência de que equipamentos de diferentes fabricantes geram

compactações diferentes apesar de especificarem os parâmetros com igual valor, a norma EN12697-31 (2004) define um procedimento de calibração em que são determinados a força e o ângulo do molde que permite obter a mesma porosidade, para um número fixo de rotações, que o modelo padrão definido.

Figura 2.19 – Compactador giratório – CONTROLS (2005)

Compactador kneading

O processo kneading foi desenvolvido nos EUA, primeiro para a produção de provetes cilíndricos (compactador californiano) e mais tarde para provetes prismáticos (compactador linear). É utilizado nas metodologias de formulação de misturas betuminosas de Hveem e Smith ou Triaxial do Asphalt Institute. O termo kneading está relacionado com a imposição de elevadas deformações por corte à mistura da mesma forma que os cilindros de pneus impõem. De acordo com Sousa et al., citado em Azevedo, M. C. (1993), o kneading transmite um elevado e localizado esforço de corte, sendo consideráveis os movimentos do material nos primeiros estágios de compactação; a mistura fica densa, e os provetes apresentam um óptimo contacto interpartículas, uma orientação uniforme da fracção grossa dos agregados e uma estrutura homogénea.

O procedimento, automático, consiste na aplicação de forças por um pé compactador, actuado por um êmbolo, com dimensões inferiores à do molde de forma sequencial para cobrir uniformemente toda a superfície do provete. Para provetes circulares, o pé com a forma de um sector circular movimenta-se no sentido ascendente e descendente enquanto o molde roda no sentido contrário aos ponteiros do relógio nos períodos de descanso, nos quais o pé não está em contacto com a superfície. Quando o pé exerce a pressão a mistura betuminosa levanta junto aos bordos. Nos equipamentos para compactação de provetes prismáticos o procedimento é semelhante com o pé de base rectangular a efectuar deslocamentos no sentido vertical e horizontal para poder cobrir toda a superfície.

Este procedimento não foi incluído nas normas europeias sobre misturas betuminosas. Inclui-se nesta secção pelas inúmeras citações na comparação dos métodos de compactação laboratorial de misturas betuminosas.

Compactador de rolo

O compactador de rolo é aquele que aproxima mais as condições em laboratório das de obra. O compactador kneading linear e o de rolo são os únicos capazes de produzir em laboratório provetes prismáticos. Normalmente são compactadas placas de dimensões diversas, dependendo das dimensões do rolo, das quais por serragem se extraem vários provetes para ensaios de simulação como o “ensaio de pista” ou de comportamento mecânico como o “ensaio de flexão em viga”.

Existem quatro versões deste tipo de compactador, de acordo com a Figura 2.21: compactador com segmento de roda metálico (A), cilindro metálico de rasto liso (B), rodas com pneumáticos (C) e compactador com

Figura 2.20 – Compactador

kneading californiano COX & SONS

CAPÍTULO 2 – COMPACTAÇÃO DE MISTURAS BETUMINOSAS: ESTADO DA ARTE

placas metálicas deslizantes (D). Todos estão incluídos na norma europeia EN12697-33 (2004), subdivididos em três métodos: método de rolo de rasto liso (A e B), método de rolo de pneus (C) e método das placas deslizantes (D).

A utilização de um cilindro de rasto liso, mais pequeno que o utilizado em obra, ou em compactação de passeios e faixas estreitas, no modo “estático” ou vibratório, é o que simula melhor o contexto de obra. Devido às dimensões mínimas do equipamento as placas a compactar são maiores e necessitam uma grande quantidade de mistura betuminosa. Por um lado permite extrair muitos provetes mas também exige equipamentos de secagem, pesagem e mistura adequados à dimensão das lajes. Muitos investigadores concluíram que permite obter resultados próximos aos de obra, Teixeira (2000). Este tipo de cilindro, com 1 ou 2 rolos, foi desenvolvido pelos diversos fabricantes como equipamento de obra e apenas é utilizado em laboratório pelas menores dimensões que apresenta em comparação aos de obra. A partir do conceito presente neste método foram criados equipamentos, indicados anteriormente, especificamente para laboratório.

A B C D

Figura 2.21 – Vários tipos de compactadores de rolo – CONTROLS (A), BOMAG (B) e COOPER (C)

O equipamento com segmento de rolo metálico foi desenvolvido em Inglaterra na Universidade de Nottingham. Este sistema conjuga um movimento longitudinal cíclico do molde que contém o provete com um movimento do segmento de rolo, realizando o adensamento da mistura betuminosa. Pode funcionar com energia de compactação controlada durante todo o ensaio ou com objectivo de obter uma determinada porosidade final. O equipamento é mantido dentro de uma câmara climática de modo a conservar a temperatura do provete.

O equipamento com rolo de pneus foi desenvolvido em França no LCPC. A compactação é realizada por um eixo contendo um ou dois pneus que rolam sobre o provete, num movimento cíclico longitudinal e alternando a posição transversal em torno do eixo médio. Existem dois modos de actuação diferenciados, um no qual o eixo se mantêm sempre à mesma distância da superfície do provete por subida constante em cada passagem e o outro em que o eixo é livre verticalmente e aplica uma carga constante em cada passagem.

Por último o equipamento com placas metálicas e rolo foi desenvolvido na Alemanha com o objectivo de simular o efeito kneading em obra. De acordo com o ilustrado na Figura 2.21 – D, entre o provete de mistura betuminosa (1) e o rolo compactador (3) são colocadas placas verticais (2), de pequena espessura, umas ao lado das outras. Quando o rolo executa o movimento longitudinal cíclico as placas deslocam-se verticalmente compactando a mistura. O rolo pode apresentar sempre a mesma força de compactação ou deslocamento vertical fixo em cada passagem.

Compactador vibratório

A compactação de misturas betuminosas com um compactador vibrador foi desenvolvida em Inglaterra para o controlo da compactação em obra, de acordo com o descrito anteriormente. Actualmente, de acordo com a EN12697-32 (2007), pode ser empregue para o cálculo da baridade de referência (recusa ao adensamento) ou medição da compactabilidade.

A energia de compactação é transmitida pelo martelo vibrador, com uma potência entre 750 e 1000 W e frequência entre 20 e 50 Hz. A compactação ocorre em duas fases, primeiro é utilizado o pé pequeno, com diâmetro 102 ± 2 mm, inferior ao diâmetro do molde (152,45 mm), para compactar o provete distribuindo a energia pelos pontos cardeais e duração até 2 minutos. Na segunda fase utiliza-se o pé grande, com diâmetro 146 ± 2 mm, para remover as irregularidades da superfície. Depois de invertido o provete o procedimento descrito é repetido na nova face. É um procedimento manual. Na Figura 2.22 apresentam-se os equipamentos utilizados: molde, martelo vibrador e pés.

O procedimento pretende simular o efeito dos cilindros, nomeadamente as deformações por corte (efeito kneading) na primeira fase e a regularização da superfície com os cilindros na fase de acabamento.

Figura 2.22 – Compactador vibratório – CONTROLS (2005) 2.4.2 Análise dos vários métodos de compactação laboratorial

Para o tema da compactação de misturas betuminosas a análise dos vários métodos de compactação laboratorial é fundamental pelos seguintes motivos: determinam a baridade de referência da compactação em obra; servem de padrão nos métodos de especificações por desempenho do material em obra pois o

CAPÍTULO 2 – COMPACTAÇÃO DE MISTURAS BETUMINOSAS: ESTADO DA ARTE

desempenho é previsto com base em ensaios de caracterização mecânica de provetes laboratoriais; utilizados na previsão da compactabilidade em obra.

As diferenças de compactação com base nas metodologias de campo e de laboratório podem ser medidas de várias formas. A primeira, logicamente, é através da baridade ou da porosidade. No entanto, a experiência mostra que esta análise não é suficiente pois para porosidades semelhantes podem existir grandes diferenças nas propriedades mecânicas. Segundo vários autores, além da porosidade global, a distribuição e tamanho médio dos poros, a orientação dos agregados, etc. vão influenciar o comportamento mecânico da mistura betuminosa. Com a passagem dos métodos de formulação do tipo “receita” para empíricos ou racionais a semelhança do desempenho mecânico nos provetes de obra e de laboratório é fundamental.

Após a apresentação dos métodos laboratoriais de compactação mais utilizados, e citados, apresenta-se uma síntese dos resultados de várias investigações sobre a capacidade dos métodos referidos em compactar de forma semelhante à de obra.

¾ Azevedo, M. C. (1993) comparou a porosidade final e o comportamento mecânico de provetes fabricados em laboratório, com os compactadores vibratório, kneading (linear e californiano), rolo e estático (não descrito neste trabalho), e em obra, para três misturas betuminosas de base diferentes. Quanto à porosidade o processo kneading é o que consegue os resultados mais próximos dos obtidos em obra, seguido do rolo (apenas utilizado em duas misturas). A análise do comportamento à fadiga, em ensaio de flexão em viga com carga aplicada em 2 pontos centrais, dos provetes prismáticos fabricados com os processos kneading e rolo revelaram um comportamento semelhante aos fabricados em obra. Por último os ensaios de comportamento às deformações permanentes, em ensaio de fluência, revelaram que os procedimentos kneading, rolo e vibração conseguem resultados próximos dos provetes de obra, mas mais elevados. O processo vibração revelou ser muito dependente do operador.

¾ Khan et al. (1998) compactou provetes em laboratório, com mistura betuminosa (agregado 0/19 mm e B60/70) fabricada em quatro obras, nos compactadores Marshall (automático e manual), kneading californiano e giratório (1,25º e 6º). Foram extraídos provetes de obra antes da abertura ao tráfego. A baridade dos provetes fabricados com o giratório 1,25º apresentou-se sempre muito próxima dos extraídos em obra, pois a compactação era terminada quando a porosidade medida se aproximava de 5% enquanto nos restantes era aplicada a energia predefinida. Assim estes processos fabricaram provetes com maior baridade, excepção ao processo kneading cujos provetes apresentaram porosidades altas. Os resultados dos ensaios de Estabilidade Marshall, Módulo de Resiliência e Fluência permitiram concluir que os provetes fabricados com o giratório 1,25º são os que se aproximam mais dos compactados em obra, embora exista alguma variabilidade. A baridade dos provetes fabricados com o giratório 6º apresentou-se sempre mais elevada mas não o módulo de resiliência e o comportamento à fluência enquanto o contrário se pode afirmar dos provetes fabricados com o kneading. Entre os dois processos Marshall pode concluir-se que no modo manual

deverá existir um maior rearranjo das partículas, pela não verticalidade da aplicação da carga em todas as pancadas, pois o comportamento dos provetes foi sempre superior neste modo, no entanto afastado do de obra.

¾ Hartman et al. (2001) , primeiro cita alguns trabalhos que concluíram que o kneading produz provetes com maior resistência às deformações permanentes enquanto o giratório consegue aproximar mais dos resultados de obra. Os provetes compactados com o compactador de rolo apresentam a maior vida à fadiga. Em segundo lugar apresenta os resultados de testes de tracção indirecta sob provetes cilíndricos de uma mistura betuminosa contínua e uma descontínua, compactados por diferentes processos (Marshall, giratório, rolo e vibração). O módulo de rigidez é mais elevado nos provetes fabricados pelos processos Marshall, giratório e vibração, para as duas misturas. Em termos de vida à fadiga os provetes giratório e vibração apresentam a vida mais longa em ambas as misturas, com o Marshall a apresentar uma vida muito pequena na mistura contínua. O rolo produz provetes com uma vida média, apesar do módulo mais baixo. O autor conclui que a formação de uma estrutura mineral adequada é mais importante nas misturas do tipo contínuo e logo o Marshall não é capaz de cumprir esse objectivo.

¾ Os estudos mais recentes têm-se centrado no compactador giratório, por ser o método padrão nos EUA e agora também incluído nas normas europeias, Ulmgren (2003), Peterson et al. (2004), Bragstad & Tell (2005). Todos indicam que o compactador giratório definido com os parâmetros 1,25º e 600 kPa permite obter provetes com porosidades semelhantes às de obra mas estes apresentam um comportamento mecânico muito superior aos de extraídos em obra. Um ângulo um pouco superior e dimensões do molde inferiores podem ajudar a aproximar os comportamentos, no entanto esta mudança têm uma grande influência no progresso da compactação com o número de rotações, implicando uma mudança das especificações. Por outro lado, como a compactação varia de modelo para modelo conforme o fabricante, é necessário haver liberdade para optimizar os parâmetros tal como a norma europeia prevê. No entanto, esta apenas prevê a análise da curva da compactação e não as propriedades mecânicas.

As diferenças relatadas entre os provetes laboratoriais e de obra têm várias origens. A primeira fonte está relacionada com as diferenças entre as metodologias de laboratório e de obra, resumidas na Tabela 2.1.

Existem medidas que se podem tomar de forma a minorar alguns dos efeitos, como por exemplo utilizar amostras de mistura fabricada em central ou armazenar a mistura laboratorial em estufas por um período mínimo, de modo a aumentar o envelhecimento, tal como prevê o método SUPERPAVE.

A segunda origem das diferenças está relacionada com o processo de compactação. As diferenças são certamente maiores entre os vários processos de compactação laboratorial do que entre as várias equipas de compactação em obra, devido à conjugação de diferentes cilindros e/ou condições de funcionamento.

CAPÍTULO 2 – COMPACTAÇÃO DE MISTURAS BETUMINOSAS: ESTADO DA ARTE

Obra Laboratório • Materiais disponíveis. Variação na composição e

qualidade.

• Sequência da mistura: dependente da central (contínua ou descontínua) e filer utilizado frio.

• Equipamento de mistura: misturador (descontínua) ou tambor-misturador (contínua).

• Transporte da central à obra: camiões (segregação possível, decréscimo da temperatura).

• Espalhamento: pavimentadora.

• Pré-compactação: Pavimentadora (mesa).

• Compactação: variações nos cilindros (rasto liso nos modos “estático” e “dinâmico” ou de pneus).

• Condições de obra: variáveis (vento, chuva, temperatura do ar, temperatura da mistura, etc.). • Endurecimento do betume: variável.

• Componentes seleccionados para uma determinada mistura. Composição exacta.

• Sequência da mistura: de acordo com as especificações da norma X. Correntemente diferentes da prática e utilização de filer quente.

• Equipamento de mistura: misturadora laboratorial. • Transporte da central à obra: não.

• Espalhamento: manual. • Pré-compactação: não.

• Compactação: método fixo (Marshall, giratório, rolo, etc.).

• Condições de laboratório: constantes. • Endurecimento do betume: constante.

Tabela 2.1 – Valores indicativos para a regulação dos parâmetros da máquina – Voskuilen & van de Ven (2004) De forma a compreender o que substancia as diferenças de comportamento mecânico entre os provetes laboratoriais e de obra, têm sido conduzidas investigações sobre a distribuição da porosidade nos provetes e na orientação dos agregados. A distribuição da porosidade é avaliada com medição da porosidade de cada parte do provete, por corte dos provetes em partes, ou com tecnologias recentes como o GVL – Vertical Gammadensitometer Bench e a Tomografia por Raios-X que permitem obter a distribuição dos materiais em cada secção de análise. Quanto à orientação dos agregados e número de contactos, entre a fracção grossa, recorre-se à análise de imagens fotográficas tratadas de cortes do provete.

¾ Masad et al. (1999) foram os primeiros a comparar a distribuição da porosidade em provetes laboratoriais compactados por diferentes métodos (kneading linear e giratório) com recurso à tomografia por raios-x. Os autores concluíram que ambos os provetes, de mistura contínua 0/19 mm, apresentavam uma distribuição heterogénea da porosidade. Na Figura 2.23 é ilustrada a distribuição vertical da porosidade. O compactador giratório apresenta uma porosidade mais elevada no topo e no fundo do provete, em concordância com um estudo anterior citado em Voskuilen & van de Ven (2004), enquanto no provete compactado com o kneading a porosidade varia quase linearmente entre o topo e o fundo, que confirma as indicações de Harvey et al. (1994) citado em Hartman et al. (2001). No estudo, foram efectuados também cortes verticais dos provetes para analisar a distribuição dos agregados. Com base no processamento digital das imagens fotográficas concluíram que existe uma maior tendência para uma orientação preferencial nos provetes compactados com o giratório e um menor número de contactos entre as partículas de agregado grosso. O maior número de contactos nos provetes compactados com o compactador kneading suporta os resultados de uma elevada resistência às deformações permanentes evidenciadas em diversos estudos laboratoriais.

Figura 2.23 – Distribuição vertical da porosidade em provetes compactados com os compactadores kneading linear (LKC) e giratório (SGC) –Masad et al. (1999)

¾ Jönsson et al. (2002) estudaram a distribuição da porosidade e o movimento das partículas em provetes, de mistura betuminosa contínua 0/11 mm, compactados pelos métodos laboratoriais Marshall, giratório e rolo de pneus. A distribuição vertical e horizontal da porosidade, Figura 2.24, para vários níveis de energia de compactação, foi analisada pelo corte dos provetes em partes e medição da porosidade de cada uma pelo método tradicional de pesagens. O movimento dos agregados durante a compactação foi analisado através da monitorização, com tomografia por raios- x, dos movimentos de peças metálicas colocadas previamente no interior da mistura em posições predefinidas.

Os resultados permitiram concluir que com o compactador Marshall os provetes apresentam uma porosidade próxima da homogénea, com excepção da distribuição radial na parte inferior dos provetes. Segundo os autores, no início a porosidade menor junto às paredes do molde forma uma