i AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS
ASFÁLTICAS MORNAS
Jaelson Budny
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientadora: Laura Maria Goretti da Motta
Rio de Janeiro Fevereiro de 2012
ii AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS
ASFÁLTICAS MORNAS
Jaelson Budny
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Examinada por:
___________________________________________________ Prof. Laura Maria Goretti da Motta, D.Sc.
___________________________________________________ Prof. Jacques de Medina, L. D.
___________________________________________________ Prof. Francisco Thiago Sacramento Aragão, Ph.D.
___________________________________________________ Dra. Prepredigna Delmiro Elga da Silva, D.Sc.
___________________________________________________ Prof. Luciano Pivoto Specht, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL FEVEREIRO DE 2012
iii Budny, Jaelson
Avaliação do Comportamento Mecânico de Misturas Asfálticas Mornas/ Jaelson Budny. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2012.
XVIII, 137 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadora: Laura Maria Goretti da Motta
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil, 2012.
Referências Bibliográficas: p. 105-113.
1. Concreto Asfáltico. 2. Misturas Asfálticas Mornas. I. Motta, Laura Maria Goretti da. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título.
iv A meus pais Leandro e Francisca e a meu irmão Acsiel.
v
AGRADECIMENTOS
À minha orientadora, professora Laura Motta, pelo indiscutível exemplo profissional e pela dedicação que teve com este trabalho. A sua motivação e profissionalismo são exemplos a serem seguidos.
Ao professor Luciano Pivoto Specht, pela amizade, companheirismo e ensinamentos, e pelo incentivo à pesquisa.
Ao professor Thiago Aragão, pela amizade e grande ajuda e dedicação para com este trabalho.
Ao professor Romildo Dias Toledo por ter permitido a realização de ensaios no Laboratório de Estruturas da COPPE.
Ao amigo João de Almeida Filho pelo acolhimento nos primeiros dias de Rio de Janeiro e pela amizade que se segue.
À família que foi criada no Rio de Janeiro pelos amigos: Diego Arthur, João Augusto, Andrea, Dimas, Saulo e Ederli.
À banca avaliadora, que tive o prazer de conhecer durante a pesquisa e que são exemplos profissionais a serem seguidos.
Ao Engenheiro Celso Ramos, da prefeitura do Rio de Janeiro, que realizou os primeiros contatos com o Consórcio Novo Asfalto (Odebrecht Infraestrutura e Construtora OAS LTDA) que permitiu a coleta de materiais para o estudo com o CCBit.
À BR Distribuidora pelo fornecimento do aditivo AD-Warm.
Às empresas CIBER Equipamentos Rodoviários e DIMESIONAL Engenharia que possibilitaram a realização do estudo com o asfalto espumado.
vi A todas as pessoas que fazem parte do Laboratório de Geotecnia e Pavimentos da COPPE: Allan, Álvaro, Ana Maria, Beto, Bororó, Leandro, Marcos, Mariluce, Rodrigo, Sandra, Thiago, Vera, Washington, Toninho, Carlinhos, Mauro e Serginho.
Ao MEC, que através do PROUNI possibilitou frequentar e concluir um curso superior e na sequência almejar um mestrado.
Ao CNPq, pela bolsa de estudos.
A todos os colegas e professores da COPPE pelo convívio ao longo do curso, incentivo e amizade.
Enfim, agradeço aos meus pais, Leandro e Francisca, e ao meu irmão Acsiel que lutaram muito para que eu conseguisse chegar até aqui. Muito grato pelo incentivo, compreensão e confiança.
vii Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS ASFÁLTICAS MORNAS
Jaelson Budny
Fevereiro/2012
Orientadora: Laura Maria Goretti da Motta
Programa: Engenharia Civil
A comunidade de pesquisa em pavimentação tem buscado alternativas para a redução do consumo de combustíveis e da emissão de gases causadores do efeito estufa. Dentre estas alternativas, as misturas mornas têm recebido atenção crescente da comunidade de pesquisa em materiais de pavimentação. O uso de temperaturas reduzidas de usinagem e compactação resulta em menores níveis de consumo de energia, melhores condições de trabalho em campo e menores danos ambientais. O objetivo principal desta pesquisa foi avaliar o desempenho de três misturas mornas por avaliações de propriedades volumétricas e mecânicas. O ligante das misturas foi modificado por dois aditivos (químico e orgânico) que têm sido usados no Brasil e através de um processo de espumação. Os resultados experimentais das misturas mornas avaliadas neste estudo foram comparados com os resultados obtidos para misturas convencionais e indicaram que tais misturas podem ser usadas como alternativas a misturas asfálticas convencionais.
viii Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
EVALUATION OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF WARM MIX ASPHALT
Jaelson Budny
February/2012
Advisor: Laura Maria Goretti da Motta
Department: Civil Engineering
The paving pavement research community has sought for alternatives to reduce fuel consumption and greenhouse gases emissions. Among these alternative technologies, the warm mixtures have received increased attention from the asphalt materials research community. The use of lower mixing and compaction temperatures results in lower levels of energy consumption, better working conditions on the field, and less environmental damage. The primary goal of this research was to evaluate the performance of three warm mixtures through laboratory mechanical tests and volumetric properties of the mixtures. The mixture binder was modified by two additives (CCBit and AD-Warm) that have been used in Brazil and through a foaming process. The experimental results of the warm mixtures evaluated in this study were compared to the results obtained for mixtures containing conventional binders and indicated that such mixtures can be successfully used as alternatives for conventional asphalt mixtures.
ix
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 1 1 -REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 6 2 -Histórico das misturas mornas ... 62.1 Técnicas de produção de misturas mornas... 8
2.2 Experiências brasileiras com uso de misturas mornas ... 11
2.3 Vantagens ... 13
2.4 Desvantagens e Cuidados ... 14
2.5 Importância da temperatura e envelhecimento ... 14
2.6 MATERIAIS E MÉTODOS ... 19
3 -Descrição geral do estudo ... 20
3.1 3.1.1 Experimento 1 - Uso de modificadores do ligante asfáltico por incorporação de produto ... 21
3.1.2 Experimento 2 – Uso de espumação para geração de mistura morna ... 24
Materiais empregados e suas características ... 29
3.2 3.2.1 Ligantes asfálticos e aditivos utilizados nesta pesquisa ... 29
3.2.2 Material pétreo e curvas granulométricas empregadas... 34
3.2.3 Intertravamento do Esqueleto Pétreo - Método Bailey ... 39
Parâmetros de densificação do compactador giratório ... 49
3.3 3.3.1 Compaction Densification Index ... 49
3.3.2 Traffic Densification Index ... 51
Ensaios de Caracterização Mecânica das Misturas ... 52
3.4 3.4.1 Energia de Fratura ... 52
3.4.2 Dano por Umidade Induzida... 58
3.4.3 Módulo de Resiliência ... 59
x
3.4.2 Flow Number ... 62
3.4.3 Fadiga ... 64
APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 67
4 -Dosagem das misturas asfálticas ... 67
4.1 Parâmetros de densificação do compactador giratório (CDI e TDIm) ... 72
4.2 Tração Direta ... 74
4.3 Dano por umidade induzida ... 80
4.4 Módulo de Resiliência ... 82 4.5 4.5.1 Experimento 1 - Aditivos ... 82 4.5.2 Experimento 2 – Espumação ... 86 Resistência à Tração ... 87 4.6 4.6.1 Experimento 1 - Aditivos ... 88 4.6.2 Experimento 2 – espumação. ... 90 Flow Number ... 92 4.7 4.7.1 Experimento 1 - Aditivos ... 92 4.7.2 Experimento 2 – espumação ... 94 Fadiga ... 95 4.8 CONCLUSÕES E SUGESTÕES DE PESQUISAS FUTURAS ... 102
5 -CONCLUSÕES ... 102
5.1 SUGESTÕES DE PESQUISAS FUTURAS ... 104
5.2 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 105 ANEXO I ... 114 ANEXO II ... 117 APÊNDICE I ... 134 APÊNDICE II ... 136
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Etapas de envelhecimento do ligante asfáltico ... 16
Figura 2: Misturador mecânico modelo BBMAX80 utilizado neste estudo ... 20
Figura 3: Usina asfáltica equipada com câmara de expansão utilizada neste estudo ... 21
Figura 4: Coleta de Mistura do caminhão durante este estudo no Experimento 2 ... 25
Figura 5: Esquema da câmara de espumação do CAP (Ronchetti et al. 2011) ... 26
Figura 6: Amostra do aditivo CCBit113ad utilizado no presente estudo ... 30
Figura 7: Amostra do aditivo AD-WARM utilizado no presente estudo ... 30
Figura 8: Agitador utilizado para a incorporação dos aditivos deste estudo em laboratório ... 31
Figura 9: Curvas de viscosidade Brookfield dos ligantes asfálticos usados no presente estudo. ... 33
Figura 10: Frações de agregados utilizados para produzir as misturas M-01 a M-14 deste estudo. ... 35
Figura 11: Exemplo da heterogeneidade petrográfica dos agregados usados no Experimento 1 ... 35
Figura 12: Agregados utilizados para produzir as misturas M-15 a M-21. ... 37
Figura 13: Exemplo da heterogeneidade petrográfica dos agregados usados no Experimento 2 ... 38
Figura 14: Curvas granulométricas das misturas empregadas... 49
Figura 15: Exemplo de representação gráfica de uma curva de CDI (NASCIMENTO, 2008). ... 50
Figura 16: Exemplo de representação gráfica de uma curva de TDI (NASCIMENTO, 2008). ... 51
Figura 17: Configuração para o ensaio SE(B) (WAGONER, 2006). ... 52
Figura 18: Configuração para o ensaio SCB (WAGONER, 2006). ... 53
Figura 19: Configuração para o ensaio DS(T) (WAGONER, 2006). ... 53
Figura 20: Dimensões recomendadas para a configuração de corpo-de-prova na forma de disco circular com fenda (ASTM D7313/07). ... 54
Figura 21: Exemplo de um corpo-de-prova desta pesquisa posicionado para o ensaio de fratura na prensa. ... 55
Figura 22: Exemplo de um Corpo-de-prova deste estudo durante a realização do ensaio de fratura (ruptura em andamento) ... 56
xii Figura 23: Curva típica de um ensaio de tração direta, Tela principal do software
Trapezium X, (Hirsch, 2009). ... 57
Figura 24: Estado de tensões gerado no ensaio brasileiro (MEDINA e MOTTA, 2005) ... 61
Figura 25: Esquema de Determinação do Flow Number ... 63
Figura 26: Exemplo de corpos-de-prova, antes e após o ensaio de Flow Number... 63
Figura 27: Exemplo de curvas de fadiga (BERNUCCI et al., 2008) ... 65
Figura 28: Mistura com CAP 30/45 realizada a 135⁰C. ... 70
Figura 29: Mistura com CAP AD-Warm realizada a 135⁰C. ... 70
Figura 30: Mistura com CCBit realizada a 135⁰C. ... 71
Figura 31: Exemplo de mistura realizada a 155⁰C. ... 71
Figura 32: Curva Força versus Abertura de trinca da mistura M-01, como exemplo dos registros do ensaio de fratura desta pesquisa. ... 75
Figura 33: Energia de fratura das misturas M-01 a M-07 deste estudo ... 76
Figura 34: Energia de fratura das misturas M-08 a M-14 deste estudo ... 76
Figura 35: Força de Pico das misturas M-01 a M-07 deste estudo ... 77
Figura 36: Força de Pico das misturas M-08 a M-14 deste estudo ... 77
Figura 37: Abertura de trinca das misturas M-01 a M-07 deste estudo ... 78
Figura 38: Abertura de trinca das misturas M-08 a M-14 deste estudo ... 78
Figura 39: Resultados do ensaio Lottmann modificado das misturas produzidas em laboratório. ... 81
Figura 40: Resultados do ensaio Lottmann Modificado das misturas produzidas em usina asfáltica. ... 81
Figura 41: Resultados do ensaio de MR (Misturas M-01 a M-07) ... 83
Figura 42: Resultados do ensaio de MR (Misturas M-08 a M-14) ... 83
Figura 43: Resultados do ensaio de MR (Misturas M-15 a M-21) ... 84
Figura 44: Resultados do ensaio de MR (Misturas M-22 a M-28) ... 86
Figura 45: Resultados do ensaio de RT (Misturas M-01 a M-07) ... 88
Figura 46: Resultados do ensaio de RT (Misturas M-08 a M-14) ... 88
Figura 47: Resultados do ensaio de RT (Misturas M-15 a M-21) ... 89
Figura 48: Resultados do ensaio de RT (Misturas M-22 a M-28) ... 91
Figura 49: Resultados do ensaio de FN(Misturas M-01 a M-07) ... 92
Figura 50: Resultados do ensaio de FN(Misturas M-08 a M-14) ... 93
Figura 51: Resultados do ensaio de FN(Misturas M-15 a M-21) ... 93
xiii Figura 53: Diferença de tensões (∆σ) versus vida de fadiga [M-01]Erro! Indicador não
definido.
xiv
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Estudos com os aditivos mais empregados nos últimos anos para produzir misturas mornas. ... 10 Tabela 2: Tempo Máximo para Aplicação da Massa Asfáltica em Função da Temperatura de Usinagem (TONIAL, 2011). ... 18 Tabela 3: Resumo das características das misturas estudadas neste trabalho. ... 28 Tabela 4: Resultados dos ensaios de caracterização dos ligantes, puros e modificados, realizados neste estudo. ... 32 Tabela 5: Temperaturas de mistura e compactação encontradas através da curva viscosidade vesus temperatura... 33 Tabela 6: Resultados dos ensaios de densidade e absorção dos agregados utilizados para compor o arranjo pétreo das misturas M-01 a M-14. ... 36 Tabela 7: Resultados dos ensaios de abrasão Los Angeles dos agregados do Experimento 1 deste estudo. ... 36 Tabela 8: Granulometria dos agregados utilizados para compor o arranjo pétreo das misturas M-01 a M-14 deste estudo. ... 36 Tabela 9: Resultados dos ensaios de densidade e absorção dos agregados utilizados para compor o arranjo pétreo das misturas M-15 a M-21 deste estudo. ... 38 Tabela 10: Resultados dos ensaios de abrasão Los Angeles dos agregados do Experimento 2 deste estudo. ... 39 Tabela 11: Granulometria dos agregados utilizados para compor o arranjo pétreo das misturas M-15 a M-21 deste estudo. ... 39 Tabela 12. Peneiras de controle do método Bailey para misturas com comportamento graúdo (Vavrik et al (2002) ... 41 Tabela 13. Limites das proporções para agregados com comportamento graúdo ... 42 Tabela 14. Limites das proporções para agregados com comportamento fino ... 42
xv Tabela 15. Peneiras de controle do método Bailey para misturas com comportamento
fino (Vavrik et al., 2002) ... 43
Tabela 16: Porcentagem passante das peneiras de controle do método Bailey da composição dos agregados na Faixa IV-C estabelecida pelo Consórcio... 44
Tabela 17: Porcentagem passante das novas peneiras de controle do método Bailey da composição IV – C estabelecida pelo Consórcio Novo Asfalto. ... 45
Tabela 18: Limites das proporções dos agregados com comportamento miúdo da composição IV – C estabelecida pelo Consórcio Novo Asfalto ... 45
Tabela 19: Porcentagem passante das peneiras de controle do método Bailey da nova composição usada no Experimento 1 estabelecida nesta pesquisa. ... 46
Tabela 20: Limites das proporções dos agregados com comportamento graúdo da nova composição usada no Experimento 1 estabelecida nesta pesquisa. ... 46
Tabela 21: Porcentagem passante das peneiras de controle do método Bailey na composição granulométrica do Experimento 2 deste estudo. ... 47
Tabela 22: Limites das proporções dos agregados com comportamento graúdo na composição granulométrica do Experimento 2 deste estudo. ... 48
Tabela 23: Dimensões recomendadas para a configuração de corpo-de-prova na forma de disco circular com fenda. ... 54
Tabela 24: Propriedades volumétricas das misturas deste estudo. ... 68
Tabela 25: Valores de CDI e TDIm encontrados para as misturas desta pesquisa. ... 73
Tabela 26: Parâmetros obtidos das curvas de fadiga deste estudo ... 96
Tabela 27: Espessuras encontradas pelo SisPav para as simulações deste estudo ... 99
Tabela 29: Resultados dos ensaios de fratura das misturas estudadas. ... 115
xvi
SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
AASHTO - American Association of State Highway and Transportation Officials ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
AG - Proporção de Agregado Graúdo
ASTM - American Society for Testing and Materials CALTRANS - California Department of Transportation CAP - Cimento Asfáltico de Petróleo
CDI - Compaction Densification Índex CP – Corpo-de-Prova
cP - Centipoise
dmm - Décimo de Milímetro
DNER - Departamento Nacional de Estradas e Rodagem
DNIT - Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes EBE - Enrobé à Basse Energie
EBT - Enrobé à Basse Température
EPI’s - Equipamentos de Proteção Individual EUA - Estados Unidos da América
FAF - Proporção Fina dos Agregados Finos fcl - Fator Campo Laboratório;
FHWA - Federal Highway Administration FN - Flow Number
xvii Gmm - Densidade Máxima da Mistura.
HWMA - Half Warm Mix Asphalt K1 - Coeficiente de Regressão; K2 - Coeficiente de Regressão; K3 - Coeficiente de Regressão; LEA - Low Emission Asphalt MR - Módulo de Resiliência
N - Vida de Fadiga
NAPA -National Asphalt Pavement Association NBR - Norma Brasileira Regulamentadora Nproj - Número de Giros de Projeto PCP - Peneira de Controle Primário PCS - Peneira de Controle Secundário PCT - Peneira de Controle Terciário PM - Peneira Média
RRT - Resistência Retida à Tração
RT - Resistência à Tração por Compressão Diametral
SHRP- Strategic Highway Research Program
SisPav - Programa de dimensionamento de pavimentos desenvolvido por Franco ( 2007) SMA - Stone Mastic Asphalt
TDI - Traffic Densification Index TDIm - TDI modificado
xviii TMN - Tamanho Máximo Nominal dos agregados
UCPRC - University of California Pavement Research Center WisDOT - Wisconsin Department of Transportation
WMA - Warm Mix Asphalt
∆ - Deformação elástica ou resiliente
ηa - Representa a Viscosidade em uma Data de Condição de Envelhecimento do Ligante Asfáltico
ηo - Representa a Viscosidade Inicial do Ligante Asfáltico.
r– Deformação Resiliente Específica1
INTRODUÇÃO
1
-O controle das tecnologias tornou-se um trunfo considerável de forma que a grandeza das nações não se avalia mais unicamente pela sua extensão territorial e suas riquezas naturais, mas também pelo seu grau de conhecimento cientifico e tecnológico.
Um dos grandes desafios contemporâneos está em atender as premissas da sustentabilidade, visando grandes investimentos em tecnologias que garantam um desenvolvimento equilibrado em todos os aspectos.
As atividades desenvolvidas pelas diversas áreas da engenharia civil podem gerar grandes impactos ambientais. Além disso, representam uma participação econômica significativa, o que as posicionam, em caráter mundial, como um dos setores estratégicos para incentivar mudanças efetivas que diminuam seu impacto na degradação do planeta (KOTLINSKI, 2010).
Neste contexto, a área da pavimentação também tem buscado alternativas ambientalmente corretas visando à redução no consumo de combustíveis e a correspondente redução na emissão de gases causadores do efeito estufa. Dentre estas, destaca-se neste trabalho novas tecnologias que têm sido desenvolvidas para a produção de misturas asfálticas.
Tais tecnologias tiveram suas primeiras discussões no final da década de 1990 e visam o menor consumo de energia de usinagem, melhores condições de trabalho, maiores lucros e menores danos ambientais, entre outros aspectos de qualidade e durabilidade. Tratam-se de produtos e processos modificadores da forma tradicional de misturas asfálticas a quente.
Estes avanços incorporam-se à linha de desenvolvimento com início em meados da década de 1980, com investimentos no desenvolvimento e criação de novas técnicas para a produção de misturas asfálticas, dentro de um programa de pesquisa denominado de Strategic Highway Research Program, SHRP. Dentro do SHRP foram desenvolvidos métodos de caracterização de materiais que permitem selecionar um ligante que atenda
2 as características climáticas específicas de cada região, assim como um método de dosagem das misturas asfálticas que simule de forma mais aproximada em laboratório as condições do campo. Novos equipamentos de laboratório foram desenvolvidos, para moldagem e avaliação mecânica com boa reprodutibilidade em laboratório. Além disso, resíduos industriais foram estudados e alguns destes foram incorporados nas misturas com o objetivo de aumentar a resistência do pavimento e também contribuir com o meio ambiente (NEWCOMB, 2011).
Uma das técnicas recentes é das chamadas misturas mornas ou “Warm Mix Asphalt”. As misturas asfálticas mornas diferem das misturas asfálticas convencionais pelas temperaturas nas quais são produzidas. As misturas asfálticas a frio são executadas em temperatura ambiente, variando entre 20 e 50°C, enquanto as misturas asfálticas a quente são produzidas em temperaturas variando entre 140 e 180°C. As misturas asfálticas “mornas” são produzidas em temperaturas entre 105 e 135°C.
As misturas asfálticas a quente possuem maiores estabilidade e durabilidade se comparadas às misturas a frio, o que explica a utilização deste material em camadas mais delgadas de pavimentos com baixo volume de tráfego. O principal objetivo das misturas asfálticas mornas é alcançar resistência e durabilidade equivalentes ou superiores às das misturas asfálticas a quente, mas em temperaturas que não degradem o ligante asfáltico, diminuindo as emissões e os impactos sobre os operários (NEWCOMB, 2007).
A degradação de pavimentos está associada a vários defeitos, entre eles: deformações permanentes excessivas, trincas por 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).
Uma adequada infraestrutura viária com revestimento asfáltico proporciona benefícios diretos aos usuários. A melhoria dos níveis de conforto e segurança, reduz os custos operacionais dos veículos e incrementa o progresso socioeconômico do país, repercutindo positivamente na qualidade de vida, estruturação espacial das comunidades, disponibilidade de transporte coletivo, promovendo o escoamento da safra agrícola e incremento das riquezas nacionais (HIRSCH, 2007).
3 Vários países da Europa já empregam, há cerca de quinze anos, alguma técnica ou produto para produzir misturas mornas, empregadas em inúmeras obras. A partir de 2000, os Estados Unidos começaram a se interessar em promover estudos e aplicações desta tecnologia visando à diminuição das temperaturas nas quais as misturas asfálticas são processadas, espalhadas e compactadas, em relação às temperaturas usuais dos concretos asfálticos.
Os benefícios diretos e imediatos são a redução de energia na produção da mistura, necessária para atingir altas temperaturas que permitam atingir a viscosidade ideal do ligante para envolver adequadamente os agregados, ter boa trabalhabilidade e fácil compactação. Quando se reduz a temperatura em todas ou em pelo menos uma destas fases, sem perder as características técnicas, há redução de fumos e emissões, nas usinas e nas obras, além de menor envelhecimento do ligante, preservando suas características de flexibilidade por mais tempo.
Foram desenvolvidas, na última década, tanto na Europa quanto nos EUA, muitas técnicas para se obter esta redução de temperatura: uso de zeólitas, naturais ou sintéticas, parafinas, ceras e produtos orgânicos, que resultaram em vários produtos de marca comercial registrada, e técnicas de processamento, tais como a espumação, promovida de várias formas, algumas também sob patente. Algumas destas técnicas exigem mudanças de equipamentos e usinas.
No geral, estas técnicas têm grande impacto positivo nos canteiros de obras e na qualidade do ar ao redor das usinas e das máquinas de aplicação. Para zonas urbanas, estas são vantagens importantes, tanto para os operários quanto para a população no entorno.
Os benefícios das misturas mornas em termos de qualidade do ar e economia de combustível são válidos e tem sido muito estudados e medidos no exterior, e começam a ser medidos também aqui no Brasil.
No entanto, o número de produtos e técnicas no mercado é muito grande, sendo necessário estudar as várias opções também sob o ponto de vista mecânico, para avaliar se a condição atingida pela mistura morna será pelo menos equivalente aos concretos asfálticos tradicionais, em termos de desempenho na estrutura do pavimento. Se forem
4 melhores (o que se espera em algumas circunstâncias, devido ao menor envelhecimento do ligante no processo, por exemplo), é um bônus.
No Brasil, mais recentemente, a técnica de mistura morna tem sido estudada em alguns trabalhos acadêmicos como será comentado adiante neste trabalho. Mas, o mais importante, é o fato que começa a ser empregada em obras de pavimentação, em trechos experimentais, como relatado em Fritzen et al. (2009) e Motta (2011) e trechos comuns, a partir de 2010, em rodovias estaduais do DER do Rio de Janeiro e em ruas da cidade do Rio de Janeiro, por exemplo.
Os técnicos, governo e academia brasileiros, devem unir esforços para avaliar e validar as várias tecnologias de WMA (Warm mix Asphalt), e, assim, chegar a implementar diretrizes e procedimentos para o projeto e as práticas que contribuam para a alta qualidade e menores custos da infraestrutura de transportes no país, ainda muito carente de ruas e estradas pavimentadas.
O fato de que os produtos são importados, em sua maioria, tendo as técnicas registradas, por si só, não são garantia de qualidade ou “receita de bolo” sem contestação: é necessário testar e tirar “nossas” próprias conclusões, enfim, criar o consenso dentro da engenharia rodoviária nacional.
Neste contexto o presente trabalho tem por objetivo geral contribuir para o conhecimento das misturas mornas, verificando o comportamento em laboratório, de três misturas de concreto asfáltico: duas preparadas com aditivos comerciais que já estão sendo usados no país, e uma com a técnica de asfalto espuma, comparadas com misturas de referência produzidas com ligantes convencionais.
Para atingir este objetivo geral foram desenvolvidas atividades especificas, sendo as principais:
Escolher e coletar os agregados, ligantes e produtos de misturas asfálticas mornas e avaliar um processo de produção de misturas asfálticas mornas.
Analisar o intertravamento dos agregados através do método Bailey.
Reproduzir misturas dosadas pelo método Marshall e comparar com misturas dosadas através do método Superpave.
5 Avaliar as misturas mornas em comparação às de referência, por meio de
ensaios mecânicos de: • Resistência à tração • Módulo de resiliência • Tração direta
• Flow number
• Resistência ao efeito do dano por umidade • Fadiga
Avaliação do comportamento das misturas mornas estudadas através de análise paramétrica com o programa SISPAV para verificar o efeito dos resultados mecânicos obtidos na vida de fadiga, em estrutura hipotética.
Além deste capítulo, a dissertação compreende outros 4 capítulos, que estão listados a seguir:
Capítulo 2 - Neste capítulo é apresentada a revisão bibliográfica com um breve histórico das misturas asfálticas mornas, bem como suas vantagens e desvantagens, técnicas de produção das misturas mornas além do processo de envelhecimento que ocorre com o ligante asfáltico.
Capítulo 3 - São descritos os materiais utilizados na presente pesquisa e suas propriedades e são apresentados os métodos e procedimentos utilizados para realização dos ensaios.
Capítulo 4 - São apresentados os resultados mecânicos das misturas estudadas e análises das mesmas, finalizando por uma avaliação do impacto destes no dimensionamento de um pavimento.
Capítulo 5 – São apresentadas as conclusões das análises realizadas e algumas sugestões para trabalhos futuros.
Este volume também contém dois anexos onde estão apresentados resultados de ensaios e dois apêndices onde se encontram as especificações dos fabricantes dos produtos utilizados nesta pesquisa.
6
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2
-Esta revisão se concentra mais especificamente em levantar dados bibliográficos sobre misturas asfálticas mornas, contemplando um breve histórico, as vantagens e os cuidados a serem tomados com as mesmas, as técnicas de produção de misturas mornas, a importância da temperatura nas misturas asfálticas e o seu envelhecimento, e uma breve revisão sobre os trabalhos com este tipo de tecnologia no Brasil.
As expressões asfalto morno ou mistura morna têm sido usadas no Brasil para representar a sigla em inglês WMA (Warm Mix Asphalt) que agrupa uma série de tecnologias que comportam a redução da temperatura em que as misturas asfálticas são produzidas e/ou aplicadas. Estas tecnologias permitem a diminuição da viscosidade ou da tensão superficial do asfalto em temperaturas de 20 a 55°C mais baixas que a temperatura das misturas quentes. Assim, há melhoria na trabalhabilidade e na compactação, redução da permeabilidade e do endurecimento do ligante e consequente melhoria no desempenho em termos de resistência a formação de trincas (CAVALCANTI, 2010).
Histórico das misturas mornas 2.1
Os primeiros relatos da possibilidade em diminuir a temperatura de produção de misturas asfálticas foram feitos em 1956 pelo Dr. H. Ladis Csanyi, professor da Iowa State University, que percebeu o potencial do asfalto espumado como camada selante em solos. Desde então, a tecnologia dos asfaltos espumados que permitem a diminuição das temperaturas de misturas é usada com muito sucesso em diversos países (KRISTJANSDOTTIR, 2006).
Macarrone (1995) estudou o desempenho de misturas asfálticas frias usando emulsões e asfalto espuma. Em sua pesquisa, foi constatado que misturas asfálticas frias causam um menor impacto ao meio ambiente do que misturas asfálticas quentes, mas o desempenho destas misturas frias foi inferior ao de misturas quentes.
7 Jenkins et al. (1999) realizaram um estudo com asfalto espuma em que os agregados eram aquecidos acima da temperatura ambiente e abaixo dos 100°C. Esta técnica mostrou um ganho nas propriedades mecânicas em relação a misturas com agregados na temperatura ambiente.
Em 1996, o ministro do Trabalho e das Relações Sociais da Alemanha, levantou um questionamento sobre os limites de exposição dos trabalhadores aos fumos de asfalto. Diante dessa pressão do governo, foi criado o Fórum de Asfalto da Alemanha, cujo foco foi procurar respostas a este questionamento. Naquela ocasião foram realizados estudos e debates sobre: constituintes do asfalto; emissões de fumos; uso de equipamentos de proteção individual (EPI’s) na indústria do asfalto; epidemiologia; incidência de câncer nos operários do setor; diversos estudos ocupacionais; tecnologias que permitissem baixar a temperatura do processo de usinagem, espalhamento e compactação e, por fim, desenvolvimento de processos visando atender a redução das emissões (NASCIMENTO et al. 2008).
No segundo Eurasphalt & Eurobitume Congress realizado em Barcelona em 2000 (KOENDERS et al.) publicaram resultados de laboratório, e de trechos experimentais em grande escala de uma tecnologia chamada de Warm Mix Asphalt Foam Emulsion com testes na Noruega, Reino Unido e Holanda entre os anos de 1996 e 1999. Foram avaliadas mais de 1000 toneladas de mistura mornas produzidas com asfalto espuma em diferentes períodos do ano em pistas de tráfego com média intensidade. Os autores concluíram que este processo contribuiu para uma redução significativa nas emissões de poeiras, fumos e CO2, além de uma economia de energia de 20 a 30%. Além disso, os
resultados mecânicos apresentaram valores satisfatórios.
Em 2002, a NAPA (National Asphalt Pavement Association) liderou visita de técnicos norte americanos pela Dinamarca, Alemanha e Noruega, visando à análise e estudo das misturas asfálticas mornas usadas nestes países. Desde essa data, também nos Estados Unidos, o interesse e desenvolvimento desta tecnologia cresceram de tal forma que a FHWA (Federal Highway Administration) designou as misturas mornas como área em foco e organizou com a NAPA, em 2003, uma conferência cujo objetivo principal foi explorar o seu potencial de utilização nos Estados Unidos (FERREIRA, 2009).
8 Em 2004, no “World of Asphalt” foram apresentados projetos e desenvolvimentos nesta área por diversas empresas e entidades rodoviárias. Desde então, nos Estados Unidos e na Europa, não mais se parou de estudar as vantagens da tecnologia de produção de misturas mornas (FERREIRA, 2009).
Em 2007 surgiu uma parceria entre o Departamento de Transportes da Califórnia (California Department of Transportation - CALTRANS) e o Centro de Pesquisa de Pavimentos da Universidade da Califórnia (University of California Pavement Research Center - UCPRC) para avaliar se as misturas mornas teriam um desempenho igual ou melhor do que as misturas asfálticas convencionais. Também foram avaliados possíveis problemas relacionados a baixa temperatura de compactação e de sensibilidade do pavimento a umidade. O trabalho deste grupo consistiu em realizar diversos ensaios de laboratório de forma a avaliar problemas de curto, médio e longo prazo. Os resultados deste estudo mostraram maior conforto dos trabalhadores devido a menor temperatura de trabalho e a menor emissão de fumos. O estudo mostrou que este tipo de mistura não apresentou perdas nas propriedades analisadas, portanto a sua utilização é promissora (JONES, 2009).
Técnicas de produção de misturas mornas 2.2
Atualmente, existem diferentes tecnologias que objetivam reduzir a temperatura de usinagem das misturas asfálticas mornas, descritas a seguir, com base em várias referências:
Aditivos orgânicos ou ceras: quando misturados ao CAP modificam as suas
propriedades reológicas, diminuindo sua viscosidade em altas temperaturas;
Aditivos químicos tendo como base aminas graxas: são produzidas por reações entre
aminas e ácidos graxos (AGNUSDEI, 2011). Esses produtos não alteram o comportamento reológico do asfalto, ou seja, sua viscosidade. Atuam modificando a tensão interfacial entre os agregados e o ligante asfáltico, melhorando assim a adesividade entre os materiais, a trabalhabilidade e compactabilidade das misturas. Desta forma, possibilitam a redução das temperaturas de usinagem e compactação;
9
Zeólitas sintéticas: produção indireta de espuma no ligante pela incorporação de
material hidrofílico ou de areia úmida durante a fabricação da massa asfáltica. No primeiro processo, a água incorporada nos cristais da zeólita se desprende de maneira contínua quando aquecida. Logo, a mistura deste elemento ao CAP quente resulta em expansão volumétrica deste ligante e como consequência na redução de sua viscosidade. A segunda forma de produzir espuma de forma indireta e de redução temporária da viscosidade do ligante é através da adição de agregados (fração areia) úmidos durante o processo de mistura. Olard (2010) relata que abaixo de 100°C, a umidade residual dos agregados resulta em expansão do betume. Estas misturas são chamadas de Half Warm Mix Asphalt (HWMA) ou misturas de baixa energia, pois são produzidas em temperaturas abaixo dos 100°C. Esta tecnologia foi primeiramente desenvolvida na França com o nome de Enrobé à Basse Energie (EBE). Outros métodos semelhantes chamados LEA e EBT foram desenvolvidos e também empregam areia molhada (com aproximadamente 3% de umidade) na mistura para criar o efeito espuma no ligante.
Processo de espuma asfáltica resultado da mistura do betume com água e ar em câmara de expansão apropriada: quando a água entra em contato com o asfalto
aquecido, a sua temperatura aumenta rapidamente até atingir 100°C. Este processo gera um expressivo aumento do volume do ligante e resulta na formação da espuma asfáltica. Esta espuma atua lubrificando os agregados no asfalto pela redução da viscosidade, melhorando assim a trabalhabilidade do produto e facilitando a mistura e aplicação em temperaturas mais baixas.
Uma derivação desta tecnologia é o chamado WAM FOAM, patenteado pela Shell International Petroleum. O WAM FOAM é um sistema composto de um ligante “leve” e de um “pesado”. O ligante leve é misturado aos agregados, realizando uma pré-cobertura, e logo depois se introduz um asfalto mais duro na mistura, na forma de espuma. Assim, é reduzida a viscosidade da mistura por um período, permitindo baixar a temperatura de usinagem e compactação (SHELL BITUMEN, 2011).
Apresentam-se na Tabela 1 estes resultados da literatura um resumo das pesquisas realizadas, nos últimos anos, com uso dos aditivos mais comumente empregados para as tecnologias de misturas mornas, a título de situar os resultados obtidos na presente pesquisa. Cabe salientar que não foi possível encontrar na literatura consultada nenhum
10 trabalho que fizesse referencia aos dois aditivos usados nesta pesquisa, a não ser os dados dos próprios fabricantes (nos apêndices I e II).
Tabela 1: Estudos com os aditivos mais empregados nos últimos anos para produzir misturas mornas. Aditivo Processo Experimento (campo C ou laboratório L) Redução de Temperatura Referência Sasobit Aditivo orgânico C/L 20°C a 40°C Sampath (2010); Prowell & Hurley (2007); Zhang (2010); Hurley et al.(2009); Sullivan (2009); Evotherm ET Aditivo químico C/L 20°C a 30°C Zaumanis (2010); Sampath (2010); Prowell & Hurley (2007); Davidson (2008); Zhang (2010); Hurley et al. (2009); Rediset WMX. Aditivo químico C/L 20°C a 30°C Zaumanis (2010); Kristjansdottir (2006); Sampath (2010); Aspha-min Espuma indireta L até 50°C Kristjansdottir (2006); Hurley et al.(2009);
WAM Foam Espuma L até 50°C Kristjansdottir (2006); Zeolita Espuma
indireta C/L até 50°C Prowell & Hurley (2007); Advera synthetic zeolite Espuma indireta C/L até 40°C Zhang (2010); Sullivan (2009); CECABASE RT Aditivo orgânico L 20°C a 30°C Sheth (2010);
11
Experiências brasileiras com uso de misturas mornas 2.3
Seguindo a mesma tendência de outros países, também no Brasil, este tipo de revestimento tem recebido atenção de alguns centros de pesquisa, contudo são poucos os trabalhos realizados. Dentre os trabalhos existentes pode-se citar:
Motta (2011) estudou misturas asfálticas mornas com uso de aditivos surfactantes, comparando seus resultados com misturas convencionais. Foram realizados trechos experimentais e foi observado que a diminuição das temperaturas de usinagem e compactação não apresentou dificuldades para a sua execução. Foi observada uma economia significativa de combustíveis para a sua produção, além de uma redução em cerca de três vezes nas emissões de poluentes. Foi observado também que os resultados mecânicos tanto em laboratório, quanto em campo, apresentaram resultados similares. Rivoire Jr. et al. (2011) apresentaram os primeiros resultados de testes realizados com o uso de zeólitas naturais, executando trechos experimentais. Foi possível produzir misturas a 110ºC e compactar a 80ºC, e as misturas mornas apresentaram valores de módulo de resiliência e resistência a tração inferiores aos das misturas produzidas em temperaturas convencionais. Contudo os valores encontrados são aceitáveis e, portanto esta técnica segundo os autores parece ser promissora.
Cavalcantti (2010) realizou estudos modificando ligantes com RedisetTM WMX. Os resultados de resistência a tração destas misturas apresentam valores muito similares às misturas de referência, enquanto os módulos de resiliência apresentam valores inferiores às misturas convencionais.
Rohde et al. (2010) relatam o uso de da adição de 0,3% de uma zeólita natural sobre o peso total de ligante mais agregado e com temperaturas de mistura entre 100ºC e 120ºC e de compactação entre 80ºC e 100ºC. Os resultados indicaram que as técnicas avaliadas por eles permitem adotar o WMA com temperaturas intermediárias ao redor de 100ºC, tendo como produto final misturas asfálticas com características mecânicas compatíveis com as observadas para a mistura asfáltica a quente.
Fritzen et al. (2009) analisam os resultados provenientes da utilização do simulador de tráfego móvel (HVS) instalado em trechos experimentais, localizados na Cidade
12 Universitária na ilha do Fundão no Rio de Janeiro. Foram testadas três diferentes misturas asfálticas mornas, com temperaturas de 35ºC a 40ºC inferiores às misturas convencionais. Foram produzidas misturas com aditivo A-SAT da Petrobras e misturas com Zeólitas, comparadas com misturas sem aditivos produzidas em temperaturas convencionais. As misturas asfálticas mornas apresentaram uma excelente trabalhabilidade desde sua usinagem até a aplicação nos trechos experimentais mesmo com temperatura de compactação baixa em relação às misturas convencionais utilizadas. Quanto aos resultados obtidos nos trechos experimentais das misturas mornas observou-se que: a solução sem aditivo apresentou pequeno aumento de afundamento na trilha de roda em relação ao obtido na mistura asfáltica com a utilização do aditivo, mas todos os resultados das três soluções de técnica foram compatíveis com o esperado. Otto (2009) estudou misturas asfálticas mornas com adição de zeólitas. O autor concluiu que estas misturas apresentavam: maior susceptibilidade ao efeito do dano por umidade induzida, valores de módulo complexo maiores do que da mistura convencional, contudo o seu desempenho à fadiga foi muito inferior. Desta forma para uma mesma solicitação de carregamento, as misturas mornas deveriam ter camadas mais espessas. Em 2007, foi publicado o relatório final de uma pesquisa entre a CONCEPA e o LAPAV, onde foi a estudada tecnologia francesa EBE. Os valores de módulo de resiliência e de resistência à tração encontrados para as misturas mornas foram muito próximos aos de misturas de concreto asfáltico. Para o efeito da susceptibilidade à umidade, os valores para o ensaio Lottman foram de 70%. Desta forma os autores concluíram que, considerando o desempenho mecânico das amostras a técnica empregada é adequada para a produção de misturas asfálticas a temperaturas intermediárias (CONCEPA-LAPAV, 2007).
Em 2008, dando continuidade aos estudos apresentados em 2007, a parceria CONCEPA-LAPAV realizou novos estudos, pois a técnica EBE apresentava dificuldades ou necessitava de adaptação na usina que na época foram julgadas de difícil execução. Desta forma, novas técnicas foram estudadas e foram feitos estudos com uso de emulsão asfáltica modificada por aditivo a base de enxofre e outra mistura com uso de zeólita sintética. As amostras foram submetidas a análises volumétricas e a ensaios laboratoriais de resistência à tração, módulo de resiliência e vida de fadiga. O
13 estudo concluiu que as duas formas de produzir misturas mornas se mostravam eficientes (CONCEPA-LAPAV, 2008).
Vantagens 2.4
Diversos estudos realizados nos últimos anos apontam vantagens das misturas mornas em relação às misturas usinadas a quente e a frio. Dentre estes destacam-se os trabalhos de Kristjansdottir, (2006); Prowell & Hurley, (2007); Chowdhury & Button, (2008); Davidson, (2008); Sullivan, (2009); Lai et al. (2009); Perkins, (2009); Sampath, (2010); Sheth, (2010); Zhang, (2010); Anderson et al. (2010). Estes trabalhos sumarizam algumas vantagens do uso de misturas mornas, tais como:
• Redução do envelhecimento do ligante asfáltico por oxidação, preservando a sua resposta elástica, o que retarda o processo do fissuramento dos revestimentos asfálticos;
• Melhoria da trabalhabilidade da mistura asfáltica e facilidade/otimização da compactação;
• Redução do consumo de combustível da usina em até 30%;
• Diminuição significativa da emissão de gases, melhorando a qualidade do ar durante a produção da mistura asfáltica;
• Redução da exposição dos trabalhadores aos fumos (fumaça causada devido à alta temperatura da mistura) e odores tanto na usina como na aplicação;
• Possibilidade de aplicação em regiões geográficas mais frias;
• Aumento da distância de transporte de massa asfáltica, além da possibilidade da execução de remendos e aplicação de camadas mais delgadas com melhor qualidade, devido ao menor potencial de resfriamento;
• Abertura ao tráfego mais rápida sobre a mistura asfáltica recém compactada; • Possibilidade de utilização de um volume maior de material de fresagem quando
14
Desvantagens e Cuidados 2.5
Conforme Zaumanis (2010), as misturas mornas podem apresentar alguns problemas. Ressalta-se que não se deve generalizar os benefícios destas tecnologias, visto que existem diversos produtos no mercado e que cada produto possui composição diferente e em consequência o seu desempenho será diferente. Dentre as desvantagens/cuidados provenientes do uso de misturas mornas, destacam-se:
• Pode ocorrer trincamento precoce devido à presença de umidade residual na interface ligante-agregado. Como consequência da aplicação de temperaturas de usinagem e compactação reduzidas, pode ocorrer de esta umidade não ser totalmente expulsa da mistura, o que prejudica o potencial adesivo do ligante sobre a superfície dos agregados;
• Dados insuficientes para validar ou rejeitar algumas das técnicas ou produtos que vêm sendo testadas, uma vez que as pistas com essas técnicas são ainda bem recentes;
• Incógnitas sobre a real redução de custos. É necessário verificar se o consumo reduzido de energia é suficiente para diminuir os custos globais de produção; • Alguns aditivos que fazem uso de ceras em sua composição não apresentam um
comportamento satisfatório a temperaturas atmosféricas muito baixas. Isto é explicado pela cristalização das ceras, que tendem a aumentar a viscosidade e a rigidez do ligante;
Importância da temperatura e envelhecimento 2.6
O cimento asfáltico ou ligante asfáltico pode ser considerado um material viscoelastoplástico e termosensível, ou seja, possui parcela viscosa, elástica e plástica. Em altas temperaturas se torna plástico, ou seja, quando recebe um carregamento, o material deforma e não volta ao estado original. Em tal situação, o cimento asfáltico atua como um fluido viscoso. Em baixas temperaturas, o cimento asfáltico se comporta como um material elástico, ou seja, quando recebe um carregamento, o material se
15 deforma, mas recupera a sua configuração original quando o carregamento é retirado (BERNUCCI et al. 2008).
Para o pavimento atingir, com eficácia, a sua função estrutural e funcional é necessário haver um permanente controle tecnológico dos materiais no momento de sua construção. Nesse controle, é fundamental que a temperatura de usinagem e de compactação esteja de acordo com as obtidas nos projetos das misturas asfálticas. As temperaturas de mistura e de compactação são escolhidas a partir da curva viscosidade versus temperatura. Determinados ligantes exigem temperaturas mais elevadas para garantir boa viscosidade. Esta temperatura mais elevada pode resultar no envelhecimento precoce da mistura.
O manuseio e estocagem do asfalto devem ser feitos com a temperatura mais baixa possível, a fim de evitar o envelhecimento do ligante. O envelhecimento do ligante é um fenômeno que tem influência no desempenho da mistura asfáltica. A exposição do ligante às altas temperaturas e as intempéries leva à perda de voláteis e à sua oxidação, o que acelera o processo de fissuramento das misturas. Tem-se, ao longo dos anos, tentado diminuir este efeito com adição de produtos e novas tecnologias executivas (CAVALCANTI, 2010).
Um dos grandes problemas do envelhecimento é dado pelo endurecimento do ligante asfáltico. O ligante enrijecido é mais resistente a deformações permanentes, mas mais susceptível ao trincamento.
Fisicamente, o envelhecimento de um ligante asfáltico é representado pelo aumento de sua viscosidade e ponto de amolecimento, diminuição da penetração e perda de suas propriedades aglutinantes (PINTO, 1991). O ligante envelhecido é também mais frágil, menos dúctil e menos elástico.
O processo de envelhecimento das misturas asfálticas se inicia durante a produção da massa asfáltica em usina com a perda de voláteis e oxidação (envelhecimento de curto prazo) e continua em campo com a oxidação progressiva (envelhecimento de longo prazo) (AIREY, 2003).
A Figura 1 extraída de Shell Bitumen Handbook (WITHEOAK, 1990), evidencia de maneira clara a gravidade do fenômeno. Nesta figura, o índice de envelhecimento é
16 representado pela razão na no⁄ onde na representa a viscosidade em uma data de condição de envelhecimento e ηo representa a viscosidade inicial do ligante asfáltico. Como apresentado na Figura 1, o envelhecimento se dá em três etapas: a primeira ocorre durante a usinagem da mistura asfáltica e é responsável por 60% do envelhecimento; a segunda etapa ocorre durante a estocagem (comum em usinas de grande porte, mas não no Brasil), transporte, espalhamento e compactação, sendo responsável por 20% do envelhecimento total sofrido pelo ligante; por fim a última etapa se dá durante a vida útil do pavimento, devido à ação do meio ambiente, e é responsável por 20% do envelhecimento do ligante (TONIAL, 2001).
Figura 1: Etapas de envelhecimento do ligante asfáltico (WHITEOAK, 1990)
Tonial (2011) ilustra as diferentes fases do processo de envelhecimento do ligante asfáltico, como descrito a seguir:
• Produção do ligante: na refinaria, durante o processo de produção do CAP, o ligante é submetido a altas temperaturas (em torno de 400ºC), possui uma baixa superfície específica e permanece sem contato com o ar até ser armazenado em tanques para distribuição. Nesta etapa, portanto, o envelhecimento é desprezível.
17 • Estocagem na refinaria: nas refinarias, os CAPs são geralmente armazenados em tanques cuja capacidade varia de 3000 a 15000 m³ por períodos que podem chegar a um mês, e a temperaturas que variam de 140 ºC à 180°C. A exemplo da etapa de produção, durante a estocagem o envelhecimento do ligante é desprezível, uma vez que, não há superfície específica elevada, embora ocorra temperatura elevada e tempo de exposição ao ar extremamente longo (720 horas no caso de estocagem por um mês).
• Transporte do CAP entre a refinaria e a usina: considera-se que durante o transporte do CAP as condições são semelhantes ao que foi descrito para a sua estocagem na refinaria. Também nesta etapa, o processo de envelhecimento é desprezível pela ausência de superfície específica elevada.
• Estocagem na usina: nesta etapa, mais uma vez, o envelhecimento do ligante é desprezível, visto que o mesmo apresenta baixa superfície específica.
• Usinagem: durante o processo de usinagem, o CAP é misturado ao agregado em temperaturas variando de 140ºC a 180ºC (não sendo rara a constatação de temperaturas de usinagem de até 200°C) por um período que varia de 30 a 60 segundos. Nesta situação, ocorrem dois dos três fatores de envelhecimento acelerado: temperatura elevada (140ºC a 180ºC) e superfície específica elevada, assim como o tempo de exposição ao ar extremamente curto. Desta forma, nas usinas gravimétricas ou no caso de usinas drum-mixer, não havendo aquecimento exagerado dos agregados pelo contato com a chama do queimador, pouco antes de sua mistura com o CAP, o envelhecimento durante o processo de mistura será reduzido.
• Transporte e aplicação da massa asfáltica: é nessa etapa que ocorre o processo mais acelerado do envelhecimento do CAP. Nesta situação, estão presentes os três fatores de envelhecimento: temperaturas elevadas, superfície específica elevada do CAP recobrindo a massa solta e tempo de exposição elevado. No campo, o tempo de exposição do CAP da massa asfáltica ao ar e a altas temperaturas poderá variar de 20 minutos a até cerca de 6 horas, dependendo da distância de transporte ao local de sua aplicação. Eventuais contratempos, tais
18 como quebra da acabadora, pneu furado e quebra do caminhão de transporte, podem agravar ainda mais este fenômeno.
Tonial (2011) concluiu ainda que quanto maiores a temperatura e o tempo de exposição da mistura a temperaturas elevadas, maior será seu envelhecimento, e sugeriu que sejam respeitados os tempos de exposição das misturas devido a sua temperatura conforme a Tabela 2.
Tabela 2: Tempo Máximo para Aplicação da Massa Asfáltica em Função da Temperatura de Usinagem (TONIAL, 2011).
Temperatura de
Usinagem (°C) 140 145 150 155 160 165 170 175 180 Tempo (h) 5,0 4,5 3,75 3,25 2,5 1,5 1,0 0,75 0,5
19
MATERIAIS E MÉTODOS
3
-Conforme colocado no capítulo inicial desta dissertação, este trabalho visa estudar algumas soluções de misturas mornas. Para investigar a aplicabilidade de produtos ou processos que permitam atingir o objetivo de racionalizar as temperaturas de processamento, espalhamento e compactação das misturas mornas testadas, foram realizados vários ensaios mecânicos dos materiais e misturas modificadas, cujos resultados foram comparados aos de misturas de referência processadas nas condições convencionais de temperatura. Para isto foram dosadas algumas misturas e produzida certa quantidade de corpos-de-prova para a realização dos ensaios de caracterização volumétrica e para os ensaios mecânicos programados: módulo de resiliência, resistência à tração, fadiga, flow number, fratura e adesividade. Da comparação dos resultados das misturas modificadas, por produto ou processo, com as respectivas misturas de referência, foi possível concluir sobre a viabilidade do uso dos produtos e processos testados.
Inicialmente foram escolhidos dois produtos de modificação do ligante para obter viscosidades necessárias para processar a mistura dos agregados com o ligante em temperatura apropriada e posterior compactação a temperaturas mais baixas do que as convencionalmente empregadas. Estes dois produtos têm sido empregados em obras de pavimentação recentes no Rio de Janeiro e são dos tipos:
a) CCBIT 113AD, de nome comercial CCBit, produzido na Alemanha, cedido pelo consórcio Novo Asfalto por indicação do Engenheiro Celso Ramos da prefeitura da cidade do Rio de Janeiro; e
b) AD-WARM, de nome comercial AD-Warm, produzido no Brasil, cedido pela BR Distribuidora.
Durante o desenvolvimento da pesquisa, foi acrescido acompanhamento de teste de geração de mistura morna por meio do processo de espumação em usina de asfalto. Esta etapa se insere dentro de um Convênio de pesquisa firmado entre a COPPE, a empresa CIBER, que desenvolveu o sistema de espumação e a empresa Dimensional, que instalou o mecanismo em sua usina localizada em Bom Jardim, RJ.
20 Descrevem-se neste capítulo os materiais e métodos empregados na consecução dos objetivos, geral e específicos, deste trabalho.
Em alguns ensaios, devido a serem ainda pouco divulgados, o autor julgou necessário colocar algumas citações bibliográficas para o melhor entendimento dos métodos no contexto geral, tendo em vista que optou-se por apresentar no capítulo 2 de referência somente aqueles trabalhos vinculados à misturas mornas.
Descrição geral do estudo 3.1
Esta pesquisa contempla o estudo de vinte e oito misturas, vinte e uma delas produzidas no laboratório de Geotecnia da COPPE através do misturador BBMAX80 (Figura 2), e sete produzidas em usina de asfalto (Figura 3). Em ambas as situações os corpos-de-prova foram preparados em compactador giratório. Tais misturas, cujas composições serão detalhadas a seguir, foram por conveniência, denominadas ao longo do texto de misturas M-01 a M-21. Por se tratarem de duas técnicas diferentes de obtenção da condição de mistura morna, serão apresentadas em separado, passando a se denominar Experimento 1 a parte relativa ao uso dos dois aditivos e Experimento 2 a parte relativa ao processo de espumação em usina.
21 Figura 3: Usina asfáltica equipada com câmara de expansão utilizada neste estudo
3.1.1 Experimento 1 - Uso de modificadores do ligante asfáltico por incorporação de produto
A mistura denominada de M-01 é a mistura de referência deste primeiro experimento sendo um concreto asfáltico convencional, produzido com CAP 30/45 e temperaturas convencionais de usinagem (175ºC para o agregado e 155ºC para o ligante) e de compactação (155ºC). Esta mistura foi dosada pelo método Marshall pelo Consórcio Novo Asfalto, com agregados típicos da região metropolitana do Rio de Janeiro, com enquadramento na faixa granulométrica IV - C do Instituto do Asfalto.
A Mistura M-06 corresponde à condição de mistura morna com o ligante CAP 30/45 com 2% de CCBit, que também foi dosada pelo Consórcio Novo Asfalto. Na ocasião da coleta dos materiais na usina, na primeira quinzena de março de 2011, corresponde ao que estava sendo aplicado nas ruas da cidade do Rio de Janeiro, com as seguintes condições: mesma granulometria e teor de ligante da M-01, e condições de temperatura de mistura iguais, somente variando a condição de temperatura de compactação que no campo foi de 120ºC.
22 A partir destas duas misturas, uma convencional de referência (M-01) e uma morna de referência (M-06) foram compostas outras com variações de temperatura de mistura e compactação, em laboratório, resultando nas outras cinco misturas dentre as 01 a M-07 visando investigar até que faixa de temperatura se poderia compactar sem interferência nas condições mecânicas.
As duas composições de referência foram misturadas e moldadas no laboratório da COPPE de forma a reproduzir misturas utilizadas para pavimentar ruas do programa “Asfalto Liso” da prefeitura da cidade do Rio de Janeiro, executadas pelo Consórcio Novo Asfalto (Odebrecht Infraestrutura e Construtora OAS LTDA) durante o ano de 2011. O ligante CAP 30/45 puro, este mesmo ligante modificado com 2% de CCBit113AD e um conjunto de agregados minerais foram colhidos na usina do Consórcio, localizada em Campo Grande, RJ, separadamente, e encaminhados ao Laboratório, juntamente com o traço que estava sendo usinado.
Ao se verificar durante o desenvolvimento desta pesquisa que a curva granulométrica inicial, processada na usina, não apresentava um esqueleto pétreo adequado sob o ponto de vista do embricamento dos grãos, foi estabelecida nova curva com os mesmos agregados e moldadas novas misturas nomeadas de M-08 a M-13. Portanto, nas misturas M-08 a M-13 foram usados os mesmos materiais pétreos empregados para produzir as misturas M-01 a M-07, contudo foi utilizada nova composição granulométrica, de forma a apresentar valores satisfatórios quanto ao método Bailey. Na maioria das misturas deste Experimento 1, foi usada para mistura no laboratório da COPPE a mesma temperatura para os agregados usualmente utilizada na usina do consórcio que é de 175°C. Nas Misturas M-09 (convencional) e M-11 e M-13 (mornas) foi adotada a temperatura 20ºC mais baixa (155°C) para verificar os efeitos no comportamento mecânico.
A intenção foi verificar se há prejuízo na adesividade ou no recobrimento dos agregados caso estes não sejam tão aquecidos como é praxe na preparação dos corpos-de-prova quando se dosam misturas.
Nas obras do Consórcio Novo Asfalto o especificado foi o emprego do ligante CAP 30/45 com 2% de CCBit113AD e esta condição foi a ensaiada inicialmente nesta
23 pesquisa. Como se dispunha do produto puro resolveu-se testar também o percentual de 3% do produto, percentual constante de alguns relatos vistos na literatura e também citados pelo fabricante. Portanto, foram feitas as misturas M-12 e M-13 utilizando o ligante CAP 30/45 e 3% de CCBit113AD por adição de mais 1% do produto ao ligante modificado inicialmente coletado na usina.
Visando uma comparação entre produtos, fixados os mesmos agregados na composição do Bailey, foram estudadas também misturas com o ligante CAP 30/45 com uso de 0,3% de outro aditivo, de nome comercial AD-Warm, a título de relato dos efeitos relativos destes. Inicialmente foi preparada somente uma condição corresponde a M-14, esta condição é a indicada pelo fabricante quanto ao teor de produto e temperaturas de misturação e compactação.
A partir dos resultados encontrados para a mistura M-14, foram feitos alguns estudos adicionais com o AD-Warm. Esta primeira mistura com este aditivo (M-14) foi feita nas seguintes condições, indicadas pelo fabricante como típica: teor de 0,3%, mistura a 135ºC e compactação a 120ºC. A dosagem Superpave nesta situação conduziu a um teor de ligante de 5,5%, teor este mais elevado que as demais com a mesma curva granulométrica. Isto indicaria que estas condições não correspondem, neste caso, à melhor combinação dos materiais presentes, e, que para a mesma energia de compactação, não se consegue o mesmo volume de vazios da mistura de referência. Optou-se por investigar algumas novas condições de preparação de misturas com este aditivo, entre várias possíveis. Foram então moldadas mais quatro misturas (15 a M-18), com a granulometria Bailey1, com o teor de ligante correspondente ao dosado para o CCBit (5,1%) e modificação das temperaturas de mistura e compactação para observar o efeito quanto a ensaios mecânicos de módulo de resiliência, resistência a tração e flow number. Para estas quatro misturas foi elevada a temperatura de mistura agregado-ligante com o mesmo teor de aditivo (0,3%), para 155ºC (temperatura de referência) para todas, e foram compactadas a 155ºC, 140ºC, 130ºC e 120ºC.
Foram também produzidas três misturas (Misturas M-19 com CAP 30/45, M-20 com 2% de CCBit e M-21 com 0,3% de AD-Warm) a temperatura de mistura mais baixa (135⁰C) com o teor de ligante de 5,1% para verificar como essa condição de temperatura de produção afetaria as três misturas com o mesmo agregado.
24 Como comentado, as misturas de referência (M-01, convencional e M-06 , morna com aditivo) foram dosadas na usina pertencente ao Consórcio Novo Asfalto, seguindo a metodologia Marshall, e nas variações de preparação deste conjunto (01 a 07) o mesmo teor de ligante foi adotado. A partir dos agregados e ligantes, puro e modificado com o produto alemão, coletados na usina do Consórcio Novo Asfalto, foram misturados e compactados no laboratório da COPPE, os corpos-de-prova com o uso de compactador giratório Superpave.
As outras misturas, com a granulometria Bailey 01 (M-08 a M-21) foram dosadas no laboratório da COPPE pelo método Superpave e também compactadas em compactador giratório. Estas condições de dosagem serão mostradas mais adiante. As condições particulares deste conjunto de misturas do Experimento 1 – produtos de mistura morna, aqui descritas sucintamente, estão agrupadas na Tabela 2 mais a frente.
3.1.2 Experimento 2 – Uso de espumação para geração de mistura morna
Durante o ano de 2011, quando esta dissertação estava em andamento, surgiu a oportunidade de o autor acompanhar e participar diretamente de uma nova pesquisa de mistura morna que inclui um processo: a espumação como forma de obter misturas que possam ser compactadas em temperaturas mais baixas. Assim surgiu a sequência de misturas adicionais deste estudo, como relatado a seguir.
As misturas M-22 a M-28 fazem parte de um projeto de pesquisa entre a CIBER Equipamentos Rodoviários LTDA, Dimensional Engenharia e a COPPE-UFRJ. Para estas misturas foi feito uso de ligante convencional e de ligante espumado. Estas misturas foram aplicadas em trechos experimentais no município de Bom Jardim, estado do Rio de Janeiro.
Estas sete misturas foram produzidas em usina drum mix modificada com câmara de espumação. O ligante asfáltico foi um CAP 50/70 e os agregados foram diferentes do experimento anterior. Inicialmente estes materiais foram coletados no estoque da usina da empresa Dimensional. A curva granulométrica e o teor de ligante foram definidos no laboratório da COPPE através da dosagem Superpave da mistura denominada de referência (M-15) com asfalto convencional (sem espumação). Este teor de ligante e a
25 granulometria foram adotados para produzir as demais misturas com variação das condições de temperatura.
Como não havia no momento como reproduzir convenientemente o processo de espumação em laboratório, e visando não introduzir procedimentos que pudessem interferir nas análises, a solução foi “levar o laboratório” para a usina onde estava sendo testado o processo de espumação. Nesta usina não se dispunha dos equipamentos necessários para produzir os corpos-de-prova para os ensaios mecânicos.
Assim, para a moldagem dos corpos-de-prova produzidos em usina, o compactador giratório da COPPE foi levado até o laboratório da Dimensional Engenharia, localizado no município de Bom Jardim, estado do Rio de Janeiro. Foi criada toda uma infraestrutura no local de forma a permitir que as amostras pudessem ser produzidas adequadamente.
Para a moldagem dos corpos-de-prova para os ensaios mecânicos, porções de massa asfáltica foram coletadas em bandejas diretamente dos caminhões (Figura 4) que fizeram o transporte da massa entre a usina e o local dos trechos experimentais. Na sequência, amostras foram separadas em frações correspondentes a um corpo-de-prova e colocadas em estufa por um período de duas horas na temperatura de compactação para simular o envelhecimento de curto prazo.
26 A mistura M-22, considerada a de referência deste conjunto de misturas do Experimento 2, foi produzida de forma convencional, ou seja, sem nenhuma modificação no processo de produção de misturas do tipo concreto asfáltico. Em seguida, foi processada a M-23, sendo que estas duas misturas diferem apenas na temperatura na qual foram compactadas.
Para compor as misturas M-24 a M-28 foi realizada a espumação do ligante CAP 50/70 antes de ocorrer a mistura com os agregados, e estas diferiram entre si pelas temperaturas nas quais foram misturadas e compactadas.
A técnica do asfalto espuma utilizada pela CIBER se dá com a modificação da viscosidade do ligante durante a usinagem com certa emulsificação do CAP pela presença de ar e água sob determinadas condições de pressão e temperatura. Na Figura 5 está apresentado um leiaute da câmara de espumação usada pela CIBER, onde se observam no esquema dois bicos espargidores, cada um com uma câmara de expansão, o primeiro seccionado para mostrar o interior.
