AVALIAÇÃO DE DIFERENTES FORMAS DE
INCORPORAÇÃO DE CAL EM MISTURAS ASFÁLTICAS
Jaelson Budny
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUI, Ijuí, Brasil, jaelsonbudny@gmail.com
André Luiz Bock
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUI, Ijuí, Brasil, andrebock.eng@gmail.com
Diego Arthur Hartmann
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUI, Ijuí, Brasil, diego.hartmann@gmail.com
Luciano Pivoto Specht
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUI, Ijuí, Brasil, specht@unijui.edu.br
RESUMO: Este trabalho apresenta uma pesquisa que avaliou, em laboratório, a dosagem de cinco misturas em concreto asfáltico – CA seguindo a metodologia Marshall, tendo como variável a forma de incorporação de cal. Foi substituído 1,0 % do fíler de basalto, pela mesma quantidade de cal. As misturas denominadas de mistura de referência (sem adição de cal), mistura com adição cal sob a forma de fíler “Cal Fíler”; mistura de cal ao agregado graúdo seco “Cal Agregado Seco”; mistura de cal ao agregado graúdo úmido “Cal Agregado Úmido”; mistura de cal sob a forma de calda ao agregado graúdo “Cal Calda” foram submetidas aos ensaios de Módulo de Resiliência e Resistência a Tração. As misturas apresentaram uma redução do teor de ligante de projeto, e de forma geral uma redução do Módulo de Resiliência (Mr) em relação à amostra de Referência, mas mantendo a sua Resistência à Tração (Rt) praticamente inalterada, isso demonstra que as misturas se tornam mais elásticas mantendo sua resistência à ruptura.
PALAVRAS-CHAVE: Concreto Asfáltico, Cal Hidratada, Formas de Incorporação. 1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento econômico, político e social de um país está diretamente ligado a seus Sistemas de Transporte. No Brasil, a matriz de transporte é predominantemente rodoviária, com esta modalidade correspondendo a cerca de 96,2% da matriz de transporte de passageiros e a 61,1% da matriz de transporte de cargas (CNT, 2006). A rede rodoviária é elemento fundamental nas cadeias produtivas, pois une mercados promovendo a integração de regiões e estados e a integração entre portos, ferrovias, hidrovias e aeroportos.
A malha rodoviária brasileira se constitui em um dos maiores patrimônios públicos do nosso
país; todavia dado seu estado de degradação e a incapacidade dos gestores públicos em manterem esta malha em bom estado, ela não tem trazido aos usuários todos os benefícios esperados. A malha rodoviária é de 1.603.131 km, dos quais apenas 196.280 km são pavimentados (ANTT, 2008).
Conforme pesquisa rodoviária de 2006 da Confederação Nacional de Transporte – CNT, em que foram pesquisados 87.592 km de rodovias, pôde-se constatar que 73,9% da extensão pesquisa apresentam algum grau de imperfeição (40,8% regulares, 22,1% ruins, 11,0% péssimos), os trechos com afundamentos, ondulações ou buracos acumulam 12,1% destas rodovias (CNT, 2006).
A degradação de pavimentos está associada a varias patologias, dentre elas: deformações permanentes excessivas, fissuras de fadiga e de retração térmica e desagregação. As duas primeiras estão mais relacionadas com o tráfego atuante e a estrutura do pavimento, enquanto as duas últimas com as características dos materiais utilizados e as condições climáticas atuantes (Specht, 2004).
Neste contesto, esta pesquisa tem como objetivo avaliar diferente formas de incorporação de cal em misturas do tipo concreto asfáltico (CA).
2 REVISÃO DE LITERATURA 2.1 Adesividade de Misturas Asfálticas A adesividade em misturas asfálticas pode ser entendida como a propriedade que garante a união entre o cimento asfáltico e o agregado sob a ação do tráfego e da água. Pinilla (1965) define a aderência entre um ligante asfáltico e o agregado pétreo como a resistência que opõe o ligante a ser afastado do sólido pela ação das forças exteriores. Segundo Martinho (1992), a adesividade do CAP ao agregado é a medida de intensidade enérgica da ligação da película de CAP ao longo da superfície do agregado.
Percebe-se, que os problemas decorrentes à falha de adesividade estão sempre relacionados à presença e ação da água. Pode-se afirmar que a água é, sem dúvida alguma, fator preponderante e decisivo a ser considerado quando se avalia o desempenho de um revestimento betuminoso no que se refere à adesividade (Neves Filho, 2006).
Misturas asfálticas devem possuir flexibilidade suficiente para minimizar trincas devido a variações térmicas, e em contrapartida ter rigidez suficiente para suportar as solicitações do tráfego. Além da qualidade dos materiais empregados, é importante que esses materiais possuam uma boa interação quando colocados em íntimo contato. Um dos aspectos importantes em misturas asfálticas é a propriedade da adesividade ligante asfáltico/agregado.
A verificação da adesividade ligante/agregado é fundamental para garantir a
resistência à desagregação e ao descolamento das misturas asfálticas. Ensaios muito simples como ensaios de avaliação visual da capacidade de recobrimento do agregado pelo ligante asfáltico e também o ensaio de equivalente de areia, são empregados para quantificar o material de dimensões excessivamente fina, sendo essa parcela prejudicial à adesividade do ligante asfáltico à superfície do agregado.
Misturas asfálticas que possuem má adesividade do ligante ao agregado, quando aplicadas em pista, podem resultar numa camada susceptível à desagregação e ao descolamento. Com a desagregação da mistura asfáltica pode ocorrer a penetração de água e atingir, camadas inferiores do pavimento, danificando a estrutura do pavimento. Dependendo do caso, pode-se formar inclusive afundamento em trilhas de roda.
O valor de serventia da via é diretamente afetado caso ocorra a desagregação da camada de rolamento, diminuindo o conforto ao rolamento e, em proporções maiores, com a abertura de buracos, a segurança e o conforto do usuário ficam comprometidas. Nestas condições, as intervenções, em geral, são mais onerosas exigindo uma manutenção que pode até levar a remoção da camada de revestimento (Moura 2001).
2.2 Envelhecimento de Misturas Asfálticas O estudo do envelhecimento de ligantes e misturas asfálticas é um dos aspectos que, nos últimos anos, tem-se estudado, todavia algumas lacunas ainda necessitam ser preenchidas. A literatura técnica reforça a importância do assunto e sua importância no entendimento do comportamento global dos pavimentos (Bell 1989, Bell et al., 1994, Tonial, 2001; Ayrei, 2003, Morilha Junior, 2004 Rozek et al., 2008). O processo de envelhecimento das misturas asfálticas se inicia durante a produção da massa asfáltica em usina (envelhecimento de curto prazo) e continua em campo sujeitos às intempéries e ao tráfego (envelhecimento de longo prazo).
A Figura 1 apresenta as etapas de envelhecimento do ligante contido em uma mistura asfáltica. O índice de envelhecimento é
representado pela razão o a
η η
, onde aη representa a viscosidade em uma data de condição de envelhecimento e oη , representa a viscosidade inicial do ligante asfáltico.
Segundo Tonial (2001) a Figura 1 apresenta que o envelhecimento do revestimento ocorre em três etapas: a primeira de maior impacto se dá quando da usinagem da mistura asfáltica e representa cerca de 60% do envelhecimento total sofrido pelo ligante; a segunda se dá durante a estocagem (comuns em usinas americanas de grande porte, mas não no Brasil), transporte, espalhamento e compactação, representando cerca de 20% do envelhecimento total sofrido pelo ligante; na terceira etapa, o envelhecimento ocorre durante a vida útil do revestimento e se dá devido à ação do meio ambiente e representa cerca de 20% do envelhecimento total sofrido pelo ligante.
Figura 1: Etapas de envelhecimento do ligante asfáltico (Read et al., 2004)
Read et al. (2004) descreve que são quatro os mecanismos principais responsáveis pelo envelhecimento do ligante asfáltico;
Oxidação – Como outras substâncias orgânicas,
o ligante asfáltico oxida lentamente quando em contato com o ar. Durante o processo de usinagem, a presença de oxigênio, a grande superfície específica dos agregados e as altas temperaturas dentro do pug-mill ou dentro do tambor-secador-misturador propiciam a oxidação;
Perda de voláteis – A evaporação de
componentes voláteis depende também da temperatura e da condição de exposição. Esta perda pode ser considerada baixa em ligantes
asfálticos puros tendo que em vista que estes têm baixos teores de voláteis;
Endurecimento físico – Ocorre à temperatura
ambiente e é atribuído à reordenação de moléculas e a cristalização de parafinas;
Endurecimento exsudativo – Resulta do
movimento dos componentes oleosos que exsudam do ligante asfáltico para dentro do agregado mineral. Esta é uma função tanto da tendência de exsudação do ligante como da porosidade do agregado.
Como o ligante asfáltico envelhece, isto resulta em um aumento da rigidez deste ligante e, conseqüentemente, da mistura asfáltica. Este efeito tende a aumentar a resistência à formação permanente. Todavia, o envelhecimento acelera os fenômenos de trincamento por fadiga, trincamento térmico e deterioração devido ao desgaste e o efeito deletério da água, os quais levam à ruína a estrutura do pavimento.
2.3 Adição de cal em misturas asfálticas A cal hidratada é um agente que melhora o desempenho de misturas asfálticas de várias maneiras. Hicks e Scholz, 2001 (apud Núñez, 2007) afirmam que as modificações produzidas pela adição de cal hidratada podem acrescentar anos à vida das misturas asfálticas. Essas modificações podem melhorar a adesividade ligante-agregado, reduzir a formação de afundamentos de trilhas de roda, bem como reduzir o trincamento e o envelhecimento (oxidação) da camada asfáltica (Little e Epps, 2001 apud Núñez, 2007).
A cal hidratada melhora substancialmente cada uma dessas propriedades tanto se usada sozinha, quanto em conjunto com modificadores poliméricos, contribuindo na formação de pavimentos que apresentarão elevado desempenho por muitos anos. Assim, análises de custo de ciclo de vida, como a realizada por Hicks e Scholz, 2001 (apud Núñez, 2007) demonstram que a cal também é economicamente vantajosa.
A cal hidratada é o agente mais eficiente para a melhora da adesividade, sendo largamente aplicada em locais onde os agregados apresentam problemas de adesividade. A perda de adesividade ocorre quando a ligação entre cimento asfáltico e
agregado se quebra, devido à presença de umidade, e o ligante se separa do agregado. Alguns agregados, como os de granito, são particularmente susceptíveis à perda de adesividade. Além do fenômeno químico, as características ambientais (calor e chuvas intensas) e o tráfego têm papel importante na perda de adesividade (Little et al. 2006 apud Núñez, 2007).
A umidade afeta o pavimento em basicamente dois aspectos. Primeiro a umidade pode entrar entre a interface do ligante e do agregado e destruir a ligação entre estes componentes do pavimento. Em segundo lugar a umidade pode penetrar nas moléculas do ligante e com isso amolecê-lo e reduzir a sua capacidade de ligação e em conseqüência diminuir a vida útil do pavimento. (Cheng et al., 2003 apud Berger 2006).
Ao ser acrescentada a uma mistura asfáltica, a cal hidratada reage com os agregados, reforçando a ligação entre o ligante e o material pétreo. Ao mesmo tempo em que age sobre o agregado, a cal também reage com as partículas polarizadas do ligante asfáltico, evitando que estas formem sabões solúveis em água, o que causaria a perda de adesividade. Segundo Petersen et al. 1987 (apud Núñez, 2007) as moléculas polarizadas, ao reagirem com a cal, formam sais insolúveis que se tornam hidrófobas. Além disso, a dispersão de pequenas partículas de cal hidratada na mistura torna-a mais rígida e dura, reduzindo a possibilidade de ruptura mecânica da ligação entre o CAP e o agregado, mesmo na ausência de água.
O enrijecimento resultante da adição de cal hidratada melhora o desempenho dos ligantes a temperaturas elevadas, sem tornar a mistura asfáltica mais frágil a temperaturas muito baixas. De fato, a baixas temperaturas, a cal hidratada se torna menos ativa quimicamente e se comporta com qualquer outro fíler inerte. A cal hidratada reduz o trincamento de misturas asfálticas resultantes, não apenas do envelhecimento, mas também o decorrente da fadiga e das baixas temperaturas. Embora, via de regra, as misturas asfálticas mais rígidas apresentem maior trincamento, a adição de cal melhora as características de fadiga das misturas e reduz o trincamento das mesmas.
O trincamento freqüentemente ocorre devido à formação de fissuras. Essas micro-fissuras são interceptadas e têm sua direção desviada pelas pequenas partículas de cal hidratada. A cal reduz o trincamento mais do que os fíleres inativos porque as reações entre a cal e as moléculas polarizadas do cimento asfáltico aumentam o volume efetivo das partículas de cal, rodeando-as com grandes cadeias orgânicas (Lesueur e Little, 1999 apud Núñez, 2007). Desta maneira, as partículas de cal conseguem, mais eficientemente, interceptar e desviar as micro-fissuras, evitando que as mesmas se agrupem em grandes trincas, que causem a ruptura do pavimento.
O grande conjunto de benefícios resultantes da adição de cal hidratada a misturas asfálticas tem como resultado a geração de um produto superior e de elevado desempenho. Embora os benefícios tenham sido descritos separadamente, todos trabalham complementando-se, contribuindo de várias maneiras na melhoria do produto final.
Nos Estados Unidos, à medida que aumenta o número de Departamentos de Transporte que especificam o emprego da cal hidratada, pesquisas sobre benefícios advindos da sua incorporação em misturas asfálticas e sobre procedimentos de campo continuam incentivando futuras aplicações. Little et al. (2006, apud Núñez, 2007) relatam ainda que estudos sobre os efeitos benéficos da cal no desempenho de misturas asfálticas também foram relatados na França, na Alemanha, na Bélgica, na República Tcheca e na Holanda. As melhorias nessas propriedades mecânicas dependem significativamente da qualidade da cal. Cales com baixos teores de Ca(OH)2 não produzirão tais efeitos benéficos. Um teor de Ca(OH)2 da ordem de 90% parece suficiente para otimizar a mistura asfáltica em termos de módulo de resiliência, resistência à tração e adesividade.
3 METODOLOGIA 3.1 Planejamento da Pesquisa
Esta pesquisa refere-se ao estudo de revestimentos asfálticos do tipo concreto
asfáltico (CA), levando em consideração diferentes formas de adição de cal. O planejamento do experimento contempla a dosagem Marshall de cinco misturas em concreto asfáltico, todas considerando o envelhecimento em estufa por duas horas, denominadas de mistura de referência (sem adição de cal), mistura com adição cal sob a forma de fíler “Cal Fíler”; mistura de cal ao agregado graúdo seco “Cal Agregado Seco”; mistura de cal ao agregado graúdo úmido “Cal Agregado Úmido”; mistura de cal sob a forma de calda ao agregado graúdo “Cal Calda” para determinação das propriedades volumétricas da misturas. Foi substituído 1,0 % do pó-de-pedra, o qual incluía o fíler de basalto, pela mesma quantidade de cal.
Após a determinação do teor de ligante de projeto para cada mistura moldaram-se corpos-de-prova para verificar o comportamento mecânico (ensaio de resistência à tração por compressão diametral Rt e ensaio de módulo de resiliência Mr).
3.2 Materiais Utilizados
O agregado mineral utilizado nesta pesquisa é uma rocha basáltica da formação Serra Geral, semelhante à encontrada em outros pontos do estado e considerada a mais representativa desta região do país. O agregado foi coletado em uma jazida no município de Coronel Barros no noroeste do estado do Rio Grande do Sul. Foi utilizada também areia de várzea, extraída na região de Santa Maria - RS.
Os agregados coletados foram submetidos a ensaios laboratoriais no LEC (Laboratório de Engenharia Civil) da UNIJUÍ (Universidade Regional do Estado do Rio Grande do Sul) para comprovar sua qualidade.
A cal utilizada no estudo foi uma cal cálcica produzida no estado de Minas Gerais. Esta escolha fundamentou-se no fato de que no RS apenas são produzidas cales dolomíticas, com baixos teores de Ca(OH)2, (NÚÑEZ,2007). A bibliografia internacional, especialmente a estadunidense, indica sempre o emprego de cales com elevados teores de hidróxido de cálcio para a obtenção de melhores resultados referentes à melhoria de adesividade das misturas asfálticas.
O ligante asfáltico utilizado neste estudo foi o CAP 50/70, produzido na Refinaria Alberto Pasqualini, em Canoas (RS). Esse é o tipo de ligante asfáltico convencionalmente empregado em obras de pavimentação no Rio Grande do Sul.
3.3 Métodos de Ensaio
O concreto asfáltico foi projetado seguindo as recomendações do Asphalt Institute (1995a) e de acordo com ASTM D6926-04 e ASTM D 6927-05.
O ensaio de resistência à tração por compressão diametral ou ensaio brasileiro, consiste na aplicação de um carregamento de compressão em amostras cilíndricas; o carregamento é aplicado em planos paralelos, diametralmente opostos. Esta configuração de carga gera um plano de tensões de tração, razoavelmente uniforme no plano perpendicular ao da aplicação da carga. A medida resultante é a resistência à tração Rt.
O módulo de resiliência (Mr) é medido a partir da aplicação do carregamento dinâmico com tempo de 0,1s e 0,9s de repouso, a amostra sofre deformações horizontais, que são medidas através de um L.V.D.T. (Linear Variable Differential Transducer), ligado a um microcomputador. O ensaio é realizado em duas direções: após a execução do ensaio a amostra é rotacionada em 90º e o ensaio é novamente conduzido.
Os ensaios de Rt e Mr, ambos à 25ºC, foram realizados em amostras Marshall, no LAPAV (Laboratório de Pavimentação da Universidade federal do Rio Grande do Sul), seguindo as prescrições das normas DNER-ME 138/86 e DNER-ME 133/94.
A dosagem e a moldagem das amostras, juntamente com a obtenção dos parâmetros de dosagem Marshall (DNER – ME 043/95 e DAER/RS – ES – P 16/98) foram realizadas no LEC da UNIJUÍ.
4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS
A Figura 2 apresenta os valores quanto ao consumo de ligante das cinco misturas de CA
com diferentes formas de incorporação de cal; adotou-se o volume de vazios (VV) de 4% como critério de dosagem. Nota-se que a incorporação de cal conduz a uma redução do teor de ligante de projeto de mais de 10% e isso se reflete, conseqüentemente, nos custos de produção do CA. 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 Te or de Li ga nt e ( % ) Teor 5,46 4,68 4,72 4,84 4,67
Referência Cal-Filer Cal-ag Sec Cal-ag umi Cal Calda
Figura 2: Teor de ligante de projeto (%)
Os resultados dos ensaios são apresentados com filtragem e sem filtragem de dados. Determinou-se a média (×) dos resultados e seu desvio padrão (∂) posteriormente calculou-se a média menos o desvio padrão (×-∂) e média mais desvio padrão (×+∂), os valores que não se enquadraram neste intervalo foram excluídos e realizado novamente o processo com os valores restantes até que todos se enquadrassem no critério adotado.
Para cada mistura em estudo, com diferentes formas de incorporação de cal, e teores de ligante correspondentes a cada dosagem, foram rompidos 4 corpos-de-prova, totalizando vinte 20 amostras ensaiadas. A Figura 3 apresenta graficamente o resumo dos resultados obtidos através do ensaio de resistência à tração.
Não houve grandes diferenças nos resultados de resistência à tração entre as diferentes formas de incorporação de cal e a amostra de referência. Os valores de resistência à tração (com filtragem de dados) variaram de 1,38 MPa (Cal Ag. Úmido) a 1,51 MPa (Referência). Nenhuma amostra com incorporação de cal apresentou maior resistência à tração em relação à amostra de referência.
A Figura 4 apresenta o resumo dos resultados com e sem filtragem de dados obtidos no ensaio de Mr. O termo resiliência significa energia armazenada num corpo
deformado elasticamente, a qual é devolvida quando cessam a tensões causadoras das deformações (Medina, 1997). 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 R e si st ên ci a à T raç ão @ 2 5 °C ( M P a
) Sem Filtragem Com Filtragem
Sem Filtragem 1,46 1,43 1,59 1,27 1,48 Com Filtragem 1,51 1,43 1,50 1,38 1,50
Referência
(Sem Cal) Cal / Fíler Cal / Ag. Seco Cal / Ag. Úmido Cal / Calda
Figura 3: Resistência à tração @ 25°C (MPa)
Através do gráfico podemos verificar que todas as amostras com incorporação de cal apresentaram uma diminuição de Mr em relação à amostra de referência sem incorporação de cal. 0,00 2000,00 4000,00 6000,00 8000,00 10000,00 12000,00 14000,00 M ó dul o de R e s e li ê nc ia @ 2 5 ºC ( M P a
) Sem Filtragem Com Filtragem
Sem Filtragem 11802,78 9044,78 10329,33 7249,56 10903,56 Com Filtragem 11802,78 8457,50 9835,83 7979,50 11595,67
Refefência
(Sem Cal) Cal / Filer Cal / Ag. Seco Cal / Ag. Úmido Cal / Calda
Figura 4: Módulo de resiliência @ 25°C (MPa)
A análise dos valores de módulo de resiliência é bastante complexa, visto que, dependendo da estrutura de pavimento que este material estará inserido, valores maiores ou menores serão tolerados. É necessária sim, uma compatibilização de rigidez e resistência entre as camadas que constituem o sistema. Pode-se afirmar que concretos asfálticos com alta rigidez e baixa resistência, são menos compatíveis com bases granulares ou camadas severamente trincadas.
A relação Mr/Rt nos dá uma idéia da compatibilidade entre rigidez e resistência da mistura; misturas muito rígidas necessitam de uma alta resistência à tração devido a concentração de esforços em seu interior. Os valores destas relações estão apresentados na Figura 5.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 R e la ç ã o M r/ R t ( a dm .)
Sem Filtragem Com Filtragem
Sem Filtragem 8071,46 6312,10 6498,47 5706,40 7391,51 Com Filtragem 7810,9 5902,25 6539,24 5771,52 7744,68
Referência (Sem Cal) Cal / Filer
Cal / Ag. Seco
Cal / Ag.
Úmido Cal / Calda
Figura 5: Relação Mr/Rt @ 25°C (Adm.)
Os valores médios da relação Mr/Rt indicam que as misturas com maiores valores foram a Referência (7810,90MPa), seguida da Cal/Calda (7744,68MPa) e Cal/Ag. Seco (6539,24MPa), os menores valores foram obtidos com as misturas de Cal/ Ag. Úmido (5771,51MPa), Cal/Fíler (5902,25) e Cal/Ag. Seco (6539,24 MPa).
As misturas apresentaram, de forma geral uma redução do Módulo de Resiliência (Mr) em relação à amostra de Referência, mas manteram a sua Resistência à Tração (Rt) praticamente inalterada, isso demonstra que as misturas se tornam mais elásticas mantendo sua resistência à ruptura.
5 CONCLUSÕES
Com a análise dos dados obtidos pode-se concluir que, todas as misturas com incorporação de cal apresentam uma redução significativa no teor de ligante. Essa redução proporciona uma grande economia, levando em consideração que nas misturas de CA, o ligante asfáltico é o componente de maior custo. A maior redução no teor de ligante em relação à amostra de Referência (sem adição de cal) ocorreu com a mistura Cal/Calda (14,47%). As misturas apresentaram, de forma geral uma redução do Módulo de Resiliência (Mr) em relação à amostra de Referência, mas mantiveram a sua Resistência à Tração (Rt) praticamente inalterada, isso demonstra que as misturas se tornam mais elásticas mantendo sua resistência à fratura.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a FAPERGS pela bolsa do primeiro autor, ao CNPq pela bolsa do segundo autor e ao MEC SeSu pela bolsa PET do terceiro autor.
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