AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DE AMOSTRAS ASFÁLTICAS DE CAMPO USANDO A TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA

AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DE AMOSTRAS ASFÁLTICAS DE CAMPO USANDO A TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA

Delson Braz*, Ricardo Tadeu Lopes* e Laura Maria G. da Motta**

* Laboratório de Instrumentação Nuclear - COPPE / UFRJ - C.P. 68509 C.E.P. 21945-970 - Rio de Janeiro - Brasil.

** Laboratório de Mecânica dos Solos - COPPE / UFRJ - C.P. 68506 C.E.P. 21945-970 - Rio de Janeiro - Brasil.

RESUMO

Este trabalho aplica a técnica da tomografia computadorizada no estudo de corpos de prova de misturas asfálticas. Depois dos testes de estabilidade Marshall e de tensão indireta (IDT), esta técnica foi usada para a avaliação estrutural não destrutiva em amostra de misturas asfálticas de campo. Analisando as imagens tomográficas das amostras de mistura asfáltica foi possível comparar a qualidade e as condições físicas das amostras de campo. Os resultados desta análise podem ser usados para melhorar a qualidade das misturas asfálticas aprimorando os procedimentos e os projetos de construção de rodovias.

I. INTRODUÇÃO

O estudo das misturas asfálticas, quanto às suas características de resistência mecânica, tem sido objeto de muitas pesquisas ao longo do tempo. No Brasil, a totalidade dos projetos de misturas, tipo concreto asfáltico usinado a quente, é feita utilizando corpos de prova obtidos por compactação Marshall, com compactadores mecânicos ou manuais. No entanto, há uma grande variação nos procedimentos de moldagem e/ou desmontagem dos corpos de prova e algumas propostas de alteração já são apontadas no meio técnico [1-2].

Por outro lado, o programa SHRP (Strategic Highway Research Program) resolveu padronizar o emprego do compactador giratório para a obtenção dos corpos de prova em laboratório, muito embora vários pesquisadores que participaram do próprio programa não concordem com esta posição [3].

O Brasil não dispõe de nenhum equipamento deste tipo, porém pode-se comparar os corpos de prova Marshall com os corpos de prova de campo obtidos por sonda rotativa. É o que se propõe, em parte, nesta pesquisa, utilizando a tomografia computadorizada na avaliação.

Outra questão, é a comparação entre as mudanças internas que ocorrem em um corpo de prova submetido ao ensaio de ruptura Marshall e ao que é submetido à resistência a tração estática, por compressão diametral. A tentativa de utilizar a tomografia, para entender o que

acontece no caso da ruptura Marshall, se deve ao fato de que este ensaio não tem uma explicação teórica simples, devido à presença do molde de compressão que envolve parcialmente a amostra.

Ainda uma terceira linha de análise, prende-se ao objetivo de detectar e acompanhar a evolução da trinca durante o ensaio de fadiga, visando comprovar modelos teóricos propostos pela mecânica das fraturas aplicada a misturas asfálticas [4].

Um tomógrafo computadorizado desenvolvido no Programa de Engenharia Nuclear da COPPE/UFRJ vem sendo utilizado para analisar homogeneidade de corpos de prova de solo [5-6] e mais recentemente, a integridade e homogeneidade de corpos de prova de misturas asfálticas, tanto de campo quanto de laboratório.

II. OS ENSAIOS MECÂNICOS

Para fazer um dimensionamento racional de um pavimento, duas determinações, no mínimo, são necessárias, quanto às misturas asfálticas:

• O módulo de rigidez, de elasticidade ou de resiliência (conforme o ensaio utilizado). - No Brasil predomina o ensaio de compressão diametral dinâmico normalizado pelo DNER (ME 133/86), a 1 Hz de frequência. Em menor proporção realizam-se também ensaios de viga à flexão alternada dinâmica.

Define-se o módulo resiliente à compressão diametral:

M r = t

t

σ

ε

onde εt é a deformação máxima de tração e σt é a tensão

máxima de tração.

• A vida de fadiga - À tensão ou deformação controlada. No Brasil, o usual são ensaios à tensão controlada, sendo utilizadas as seguintes expressões:

N = K 1 K 1 ε t       2 ou N = K 1 K 3 σ t       4 (2) onde os Ki são constantes determinadas

experimentalmente.

Quando se utilizam os conceitos da mecânica da fratura para exprimir a fadiga das misturas asfálticas, o fenômeno do trincamento resultante pode ser separado em dois aspectos:

a) - o surgimento da trinca; e b) - o espalhamento da trinca.

A proposta do uso da tomografia para detecção e acompanhamento das trincas, nos corpos de prova submetidos aos ensaios dinâmicos, visa comprovar as hipóteses admitidas nesta modelagem. Pois, cresce também a tendência de se utilizar o ensaio de resistência à tração estática (DNER ME 138/84) para qualificar as misturas asfálticas a serem dosadas e controladas, pela maior representatividade deste ensaio em relação ao comportamento mecânico real das misturas no campo e melhor correlação com o módulo resiliente.

O ensaio de estabilidade Marshall pretende, no entanto, expressar a medida de uma outra habilidade das misturas asfálticas, que é a resistência às deformações plásticas. Embora, a tendência hoje seja utilizar ensaios de “creep”, estático, dinâmico ou cisalhante, para avaliar esta qualidade das misturas [7], resolveu-se incluir alguns corpos de prova submetidos a este tipo de ensaio, para análise tomográfica, para visualizar os tipos de deformações que ocorrem nos mesmos, em comparação aos ensaios anteriores.

III. TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA A tomografia computadorizada é um processo que pode utilizar a radiação para obter a reconstrução de uma seção transversal de um corpo, quando um certo número de projeções unidimensionais em diversos ângulos são processadas; e desta forma, obtém-se uma imagem bidimensional ou tridimensional da seção transversal do corpo.

A importância da tomografia computadorizada está na capacidade de distinguir quantitativamente pequenas diferenças na atenuação da radiação no corpo examinado, de modo que esta diferença possa ser relacionada às diferenças de densidades físicas no corpo.

Um feixe de radiação γ, monoenergético e de intensidade I0 , ao atravessar um objeto homogêneo de

espessura x, sofre uma atenuação, de modo que a intensidade I do feixe emergente é representada pela lei de BEER-LAMBERT:

I = I

exp - (

µ

x)

onde µ é o coeficiente de atenuação linear total do material para a energia do feixe incidente.

Um sistema de coordenadas (x,y) pode ser utilizado para descrever a seção transversal do corpo examinado. Cada ponto da seção transversal é denotado pela função densidade ƒ(x,y) que, no caso da tomografia computadorizada por transmissão, é proporcional ao coeficiente de atenuação linear (µ), e este coeficiente passa a ser função da posição dentro do material examinado,

µ(x,y).

Em um sistema tomográfico, onde o sistema fonte -detector é mantido fixo e o objeto realiza movimentos de rotação e translação, o caminho que o raio percorre pode ser representado por um sistema de coordenadas (r,s) (Fig. 1), o qual é sempre girado a um ângulo (φ), ângulo que o raio forma com o eixo y. A integral de linha de ƒ (x,y) ao longo do raio (r,φ), raio soma, é definida como:

P (r,φ) =

∫

Associando µ com a função densidade ƒ(x,y), temos: P (r,φ) = ln I I 0 =

∫

Figura 1. Sistema de coordenadas fixas (x,y), mostrando pontos do objeto. O caminho do raio é especificado através

do ângulo φ com o eixo y e a distância r da origem. Um conjunto completo de raios-soma em um mesmo ângulo é chamado de projeção ou perfil.

Experimentalmente, os valores de P (r,φ) são obtidos pelas medidas de Io e I. O grande problema da reconstrução da

imagem do objeto está em inverter a Eq. (7), isto é, obter a função densidade ƒ (x,y) a partir das medidas dos raios-soma em todas as direções e posições. Neste ponto é que os algoritmos de reconstrução adquirem um papel importante para obtenção da imagem da seção examinada.

IV. MATERIAIS E MÉTODOS

Corpos de Prova. Os corpos de prova utilizados neste trabalho foram obtidos em campo, os quais fazem parte do projeto “Rio-Orla”, que visa um acompanhamento estrutural do pavimento construído na orla marítima do Rio de Janeiro, entre as praias da Barra e do Recreio. As amostras foram retiradas com uma sonda rotativa, as quais foram serradas em laboratório com a finalidade de se separar a camada de capa, da camada de “binder”, obtendo-se assim 2 corpos de prova de cada amostra.

Foram utilizados os seguintes procedimentos para a realização dos ensaios em cada corpo de prova:

n primeiramente foram feitas tomografias com o corpo de prova sem receber nenhum ensaio em laboratório, isto é, com o corpo de prova “virgem”;

n em seguida, foram realizados os ensaios para a determinação do módulo resiliente dos corpos de prova, conforme norma DNER-ME-133/86, e após este, foram realizadas novas tomografias nos corpos de prova, para uma análise da influência deste ensaio na estrutura interna dos mesmos.

Então, terminado este estágio, foram separados 2 corpos de prova (capa e binder da mesma amostra) para a realização do ensaio de σt e 6 corpos de prova para o

ensaio de estabilidade Marshall, a fim de se analisar imagens deste dois ensaios, com os seguintes procedimentos:

n foram realizados os ensaios de σt nos 2 corpos de

prova, conforme procedimentos descritos em DNER-ME-138/84. Em seguida foram realizadas novas tomografias neste corpos de prova;

n nos outros 6 corpos de prova foram feitos os ensaios de estabilidade Marshall, de acordo com procedimentos descritos em DNER-ME-43/64, após os quais realizaram-se novas tomografias deste corpos de prova. Sistema Tomográfico. O tomógrafo utilizado na análise das amostras é de primeira geração (STAC-1). O sistema fonte-detector do STAC-1 é estacionário e a fonte radioativa pode ser trocada. A fonte utilizada possui as seguintes características:

fonte: Isótopo ⇒ Césio 137 (ou 137Cs)

Atividade⇒ 1,11 x 1010 Bq (0,3 Ci) Energia ⇒ 662 keV

Meia vida⇒ 30 anos

O detector é um cristal cintilador de NaI(Tl), de 5,08 cm de diametro e espessura, acoplado a uma fotomultiplicadora. Associado ao sistema fonte-detector,

existe o sistema eletrônico de detecção, que é constituído de um amplificador com ganho fixo, um analisador monocanal, onde é feita a discriminação da faixa de energia em torno do fotopico desejado. Os colimadores da fonte e do detector são feitos de chumbo, e cada um possui uma fenda retangular de 1mm de largura por 10mm de altura. Entre a fonte e o detector existe uma mesa que é composta por um prato giratório, onde o objeto é colocado para inspeção. A mesa realiza movimentos de rotação e translação, através de dois motores de passo, os quais são alimentados por pulsos TTL provenientes do microcomputador.

Os fótons na faixa de energia desejada são contados através de uma interface com um microcomputador que, além da aquisição e armazenamento dos dados, também controla o sistema de alimentação dos motores de passo. O processamento dos dados e a reconstrução da imagem são feitos por este mesmo computador, que também mostra as imagens, utilizando para este fim uma placa gráfica. Na Fig. (2) é mostrado um diagrama do sistema tomográfico.

Amplificador Rotação Translação Analisador Monocanal Detector Fonte Alta Tensao

Figura 2. Diagrama do sistema tomográfico “STAC-1”.

V. RESULTADOS OBTIDOS

Mostra-se a seguir (Fig. 3 a 10), algumas imagens tomográficas de seção reta dos corpos de prova nas seguintes situações:

i - Virgem - Refere-se ao corpo de prova de campo retirado com sonda rotativa, com o tráfego liberado alguns meses antes de ser submetido ao esforço mecânico de laboratório.

ii - Após o ensaio de módulo resiliente - O Corpo de prova que foi submetido a um certo número de aplicações de cargas repetidas, a 1 Hz de frequência e tempo de carregamento de 0,1 a 0,14 segundos. iii - Após o ensaio de σt - Corpo de prova que foi

submetido ao ensaio de resistência à tração estática. iv - Após ensaio Marshall - Corpo de prova que foi

submetido ao ensaio de estabilidade (banho a 60 0C por meia hora).

Figura 3. Corpo de prova 2a “capa” a) - Virgem b)- Ensaio σt.

Figura 4. Corpo de prova 2a “binder” a) - Virgem b)- Ensaio σt.

Figura 5. Corpo de prova 2c “capa” a) - Virgem b)- Ensaio Marshall.

Figura 6. Corpo de prova 2c “binder” a) - Virgem b)- Ensaio de Módulo e c)- Ensaio Marshall.

Figura 7. Corpo de prova 4a “capa” a) - Virgem b)- Ensaio de Módulo e c)- Ensaio Marshall.

Figura 8. Corpo de prova 4a “binder” a) - Virgem b)- Ensaio de Módulo e c)- Ensaio Marshall.

Figura 9. Corpo de prova 4c “binder” a) - Virgem b)-Ensaio Marshall. (a) (a) (a) (b) (a) (b) (a) (a) (a) (b) (b) (b) (b) (b) (c) (c) (c)

Figura 10. Corpo de prova 4c “capa” a) - Virgem b)- Ensaio de Módulo e c)- Ensaio Marshall.

VI. DISCUSSÕES

Algumas observações podem ser feitas a partir das imagens:

i - Amostras virgens - Há uma distribuição aleatória uniforme dos agregados fino nas amostras da capa (Fig. 3a, 5a, 7a e 10a) e grosso nas amostras de binder (Fig. 4a, 6a, 8a e 9a) em toda área do corpo de prova. Verifica-se nas imagens dos corpos de prova com maiores agregados a incidência de alguns vazios sobre a seção analisada.

ii Amostras após o ensaio de módulo resiliente -Aparentemente os corpos de prova permanecem inalterados ao final do ensaio, isto é, nas imagens tomográficas não pode-se perceber mudanças significativas na estrutura interna do corpo de prova, o que permite utilizar os mesmos corpos de prova em outros ensaios (Figs. 6b, 7b, 8b, 10b).

iii - Amostras após o ensaio de σt - Nota-se

claramente a trinca ao longo da seção transversal radial da aplicação de carga, onde pode-se perceber também, a existência de ramificações da trinca (Figs. 3b e 4b).

iv - Amostras após o ensaio Marshall - Pode-se observar nas imagens apresentadas que existe uma migração de agregados finos e ligante para o centro do corpo de prova enquanto, os agregados maiores são deslocados para a extremidade radial (Figs. 5b, 6c, 7c, 8c, 9b e 10c).

V. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A tomografia computadorizada mostra-se uma excelente ferramenta de análise de corpos de prova de misturas asfálticas. Permite comparar a qualidade e

integridade de corpos de prova de campo e laboratório, detectar e acompanhar trincas surgidas durante o carregamento dinâmico além de ajudar a interpretar a distribuição de tensões e deformações que ocorrem nos diversos tipos de solicitações impostas às misturas.

Os resultados desta análise podem ser usados para melhorar a qualidade das misturas asfálticas aprimorando os procedimentos, tanto para a confecção de corpos de prova de laboratório como os utilizados para as rodovias, e os projetos de construção de rodovias.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro recebido.

REFERÊNCIAS

[1] MOTTA, L.M.G., MEDINA, J. e SCALCO, R.C.,- O projeto estrutural de pavimento flexível e a dosagem de misturas asfálticas, 27a RAP - ABPv - Teresina, 1993. [2] MOREIRA, C.C., Proposição de métodos de dosagem Marshall para misturas betuminosas tipo CBUQ, 28a RAP - ABPv - Belo Horizonte, 1994.

[3] - SOUZA,J.B., PAINTER, L., HARVEY, J., DEACON, J.A. e MONISMITH, C.L., Evaluation of Laboratory procedures for compacting asphalt-aggregate mixtures, SHRP-A-UWP, 91 - 523, 1993.

[4] - RODRIGUES,R.M., Estudo do trincamento dos pavimentos, Dissertação de Tese de Doutorado -COPPE/UFRJ, 1991.

[5] - BARROSO, R.C., Aplicação da tomografia computadorizada na compactação de solo, Dissertação de Tese de Mestrado - COPPE/UFRJ, 1990.

[6] - BRAZ, D., MOTTA, L. M. G. e LOPES, R. T., Detecção da evolução de trincas em misturas asfálticas utilizando a tomografia computadorizada, III ENAN -Águas de Lindoia - SP, 1995.

[7] - KENNEDY, T., MOUTTHROP,J.S. e HUBER,G.A., Developement of SHRP mixture specification and design and analysis system - AAPT - vol 62, 1993.

ABSTRACT

This work applies the computed tomography technique to the study of asphaltic mixtures. After analysing Marshall stability and indirect tensile strength (IDT) tests, this technique was used for NDT structural evaluations of test and field specimens. By analysing the CT images of the asphaltic mixtures it is possible to compare quality and physical conditions of test and field specimen. The results of these investigations presented in the paper can be used to increase the asphaltic mixtures quality by improving design and procedure of manufacturing.

(a) (b)