Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Sara da Silva Teixeira
Caraterização geomecânica de misturas
betuminosas por meio de ensaios
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Sara da Silva Teixeira
Caraterização geomecânica de misturas
betuminosas por meio de ensaios
mecanicistas
Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados em Engenharia Civil
Trabalho efetuado sob a orientação de
Doutor Nuno Miguel Faria Araújo
“Não interessa. Tento de novo. Falho de novo. Falho melhor” Samuel Beckett
AGRADECIMENTOS
Gostaria de expressar o meu agradecimento aos meus orientadores, Professor Nuno Araújo e Professor Hugo Silva, pelo auxílio, disponibilidade e orientação prestada durante a realização deste trabalho. Agradeço todos os ensinamentos de várias matérias que me ajudaram a completar esta Dissertação.
Queria agradecer a minha família que tem um grande lugar no meu coração. Em especial a minha mãe por me dar coragem para enfrentar o futuro, ao meu pai por me pressionar a fazer mais e melhor, a minha irmã por me dar tanto mimo e ao meu irmão por me tirar o carro para que possa ficar em casa a trabalhar. Agradeço também ao meu Padrinho por ser a pessoa persistente que é comigo.
Um grande agradecimento ao meu namorado Marcelo pelo amor, coragem e ajuda incondicional que me deu durante a execução da Dissertação, mesmo quando eu não a queria. Sem ele não sei se conseguiria acabar.
Este trabalho é financiado por Fundos FEDER através do Programa Operacional Fatores de Competitividade – COMPETE e por Fundos Nacionais através da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia no âmbito do projeto PTDC/ECM/119179/2010, “Desenvolvimento de materiais multifuncionais com resíduos plásticos para pavimentação de estradas – PLASTIROADS”.
No laboratório não poderia ter melhores técnicos do que o Engenheiro Carlos Palha e o Hélder Torres. Agradeço ao Hélder por me ter aturado quando fazíamos as lajes e por me ter ajudado quando já não era hora de trabalho. Ao Engenheiro Carlos Palha por me ter ajudado a compreender melhor o perfil de vias, por me ter ajudado nos ensaios, por ter feito mais do que lhe competia e por ser uma pessoa muito especial.
Quero agradecer aos meus colegas Cláudia, João, Inês e Catarina por me mostrarem o lado divertido da Universidade, pelos jantares (maravilhosos) e por me manterem na linha.
Caracterização geomecânica de misturas betuminosas por meio de ensaios mecanicistas
RESUMO
Atualmente o sistema rodoviário constitui um sector de importância vital para o desenvolvimento social e económico das sociedades. As misturas betuminosas consistem num dos materiais mais utilizados para a construção de infraestruturas rodoviárias. Um nível de qualidade elevado é fundamental para garantir o desempenho estrutural e durabilidade das mesmas, assim como para garantir o conforto e segurança dos utilizadores. As propriedades mecânicas da mistura evoluem de forma significativa desde o instante de aplicação até ao percurso que constitui o seu ciclo de vida, sendo severamente influenciadas pelo meio exterior onde se inserem, particularmente pela temperatura a que se encontram expostas e pela deformação resultante das cargas que lhe são aplicadas pelo tráfego rodoviário. O aumento da carga transportada desde a década de noventa provocou níveis de degradação dos pavimentos rodoviários indesejados e, em consequência, algumas vezes levou ao incumprimento dos patamares de exigência estrutural e funcional.
No presente trabalho apresentam-se estudos do comportamento mecânico de misturas betuminosas por recurso a ensaios mecanicistas (ensaio de pista e ensaio triaxial), para quantificação de parâmetros de deformabilidade que definem o comportamento das referidas misturas.
O estudo realizou-se sobre duas misturas, uma convencional (AC 14 Surf), e uma segunda com incorporação de betume borracha (AR 12 Surf). O estudo laboratorial focou-se em parâmetros que controlam a ocorrência de deformações irreversíveis nos pavimentos: velocidade de carregamento (0,3 Hz, 1 Hz e 5 Hz) e temperatura (30 ºC e 50 ºC). Atendendo à ocorrência simultânea destes parâmetros, quantificou-se possíveis relações entre os mesmos, permitindo analisar a sua influência na deformação permanente dos provetes em estudo.
PALAVRAS-CHAVE: Deformação permanente; Ensaio de pista; Ensaio Triaxial; Caracterização geomecânica; Mistura betuminosa; Deformabilidade.
Geomechanical characterization of asphalt mixtures through mechanistic tests
ABSTRACT
Currently the road system is a sector of vital importance to the social and economic development of societies. The asphalt mixtures are one of the materials most commonly used for construction of road infrastructures. A high level of quality is critical to assure the structural performance and durability of these mixtures, as well as to ensure the necessary comfort and safety of users. The mechanical properties of the mixtures evolve significantly since the time of application in the road and throughout its life cycle, being severely influenced by the external environment in which they operate, particularly the temperature to which they are exposed and the deformation caused by the loads applied by the road traffic. The increase of the loads transported since the 1990s caused unwanted levels of degradation of road pavements and, as a result, sometimes led to the failure of minimum levels of structural and functional requirements.
This work presents the study of the mechanical behavior of asphalt mixtures through the use of mechanistic test (wheel tracking test and triaxial test), in order to quantify the deformability parameters that define the performance of the mentioned mixtures.
The study was carried out on two mixtures, a conventional (AC 14 Surf) and a mixture with asphalt rubber (AR 12 Surf). The laboratory study focused on parameters that control the occurrence of irreversible deformation in the pavement: load speed (0.3 Hz, 1 Hz and 5 Hz) and temperature (30 ºC and 50 ºC). Given that these parameters occur simultaneously, possible relationships between them were quantified, thus being possible the analysis of their influence on the permanent deformation of the specimens under study.
KEYWORDS: Permanent deformation; Wheel tracking test; Triaxial test; Geomechanical characterization; Asphalt mixture; Deformability.
ÍNDICE
1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 Enquadramento geral ... 1 1.2 Objetivos ... 1 1.3 Organização da dissertação ... 2 2 ESTADO DA ARTE ... 32.1 Importância do sistema rodoviário ... 3
2.2 Caracterização do comportamento do betume ... 4
2.2.1 Sistema de especificação do betume ... 5
2.2.2 Propriedades viscoelásticas do betume ... 8
2.2.3 Envelhecimento do betume ... 11
2.3 Caracterização da deformação permanente em pavimentos ... 12
2.3.1 Fatores que afetam a deformação permanente ... 17
2.3.2 Influência do tráfego ... 17
2.3.3 Influência da temperatura ... 19
2.4 Relação entre a deformação permanente e o módulo de rigidez das misturas betuminosas ... 20
2.5 Ensaios mecanicistas de caracterização de misturas betuminosas... 23
3 MATERIAS E MÉTODOS UTILIZADOS ... 25
3.1 Materiais ... 25
3.1.1 Mistura convencional (AC 14 Surf) ... 25
3.1.2 Mistura não convencional com betume borracha (AR 12 Surf) ... 27
3.2 Métodos de ensaio ... 29
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 39
4.1 Penetração e ponto de amolecimento dos betumes ... 39
4.2 Ensaio de pista ... 39
4.2.1 Evolução da deformação permanente ... 40
4.2.2 Bacias de deformação ... 43
4.2.3 Determinação do módulo por análise inversa no programa Phase2D ... 47
4.3 Ensaio Triaxial ... 49
4.3.1 Evolução da deformação permanente ... 49
4.3.2 Módulo de rigidez das misturas ... 50
4.3.3 Cálculo do coeficiente de Poisson ... 55
4.3.4 Comparação do módulo de rigidez com a extensão axial ... 59
4.4 Análise comparativa entre os ensaios de pista e triaxial ... 61
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 65
5.1 Conclusões ... 65
5.2 Desenvolvimentos futuros ... 66
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Comportamento do betume a diferentes temperaturas e tempos de fluência
(adaptado de Anserson et al., 1994) ... 8
Figura 2 – Resposta mecânica do betume sob carga constante: (a) tensão aplicada, (b) resposta elástica, (c) resposta viscosa, e (d) reposta viscoelástica (Pumphrey, 2003) ... 10
Figura 3 – Classificação de líquidos e sólidos viscoelásticos através do número de Deborah (Partal e Franco, 2009) ... 11
Figura 4 – Evolução da deformação permanente num raio de ação de 1,2 metros em função ciclo de carregamento (Houben et al., 1999) ... 15
Figura 5 – Fases da evolução da deformação permanente em misturas betuminosas (Feire, 2002) ... 16
Figura 6 – Efeito do excesso de peso por eixo nos pavimentos, e contribuição das diversas camadas para a profundidade de rodeira (Chen et al., 2004) ... 18
Figura 7 – Efeito da temperatura na deformação permanente em misturas betuminosas em ensaios triaxiais realizados a 40ºC e 60ºC (Sargand e Kim, 2003) ... 20
Figura 8 – Evolução do módulo de rigidez em função da frequência da solicitação, para a mistura SUPERPAVE (Ahmad et al., 2011) ... 21
Figura 9 – Evolução do módulo de rigidez em função da frequência da solicitação, para a mistura Marshall (Ahmad et al., 2011) ... 21
Figura 10 – Evolução da deformação permanente e rácio do ensaio de pista (adaptado de Ahmad et al., 2011) ... 22
Figura 11 – Relação entre o módulo no ensaio de compressão cíclica e a deformação no ensaio de pista a 50 ºC (Ahamad et al., 2011) ... 23
Figura 12 – Curva granulometria e fuso da mistura AC 14 Surf ... 26
Figura 13 – Laje (70 x 40 cm) produzida com a mistura convencional AC 14 Surf ... 26
Figura 14 – Cilindro utilizado para compactar as misturas ... 27
Figura 17 – Ensaio de penetração ... 30
Figura 18 – Ensaio de anel e bola ... 30
Figura 19 – Equipamento para a realização do ensaio de pista ... 32
Figura 20 – Geometria do provete do ensaio de pista ... 33
Figura 21 – Esquema dos sensores colocados no ensaio de pista ... 33
Figura 22 – Sensores internos colocados no ensaio de pista... 34
Figura 23 – Potenciómetro para leitura da posição da lajeta ... 34
Figura 24 – Equipamento para o controlo do confinamento associado a uma bomba de vácuo ... 35
Figura 25 – Equipamento para a realização do ensaio triaxial ... 36
Figura 26 – Exemplos de (a) provete de ensaio e (b) laje após carotagem ... 36
Figura 27 – Máquina utilizada para o ensaio triaxial ... 37
Figura 28 – Esquema dos sensores colocados no provete do ensaio triaxial ... 37
Figura 29 – Deformação permanente (WTT) a 50 ºC da mistura convencional AC 14 Surf .. 40
Figura 30 – Deformação permanente (WTT) a 50 ºC da mistura não convencional AR 12 Surf ... 40
Figura 31 – Deformação permanente (WTT) a 1 Hz da mistura convencional AC 14 Surf ... 41
Figura 32 – Deformação permanente (WTT) a 1 Hz da mistura não convencional AR 12 Surf ... 41
Figura 33 – Resultados de WTS no ensaio de pista para as misturas AC 14 Surf e AR 12 Surf ... 42
Figura 34 – Bacias de deformação (WTT) medidas internamente a 50 ºC/1 Hz da mistura convencional AC 14 Surf ... 43
Figura 35 – Bacias de deformação (WTT) medidas internamente a 30 ºC/1 Hz da mistura convencional AC 14 Surf ... 44
Figura 36 – Bacias de deformação (WTT) medidas internamente a 50 ºC/0,3 Hz da mistura convencional AC 14 Surf ... 44
Figura 37 – Bacias de deformação (WTT) medidas internamente a 50 ºC/1 Hz da mistura não convencional AR 12 Surf ... 45
Figura 38 – Lajeta da mistura não convencional AC 12 ensaiada a 50 ºC/1 Hz ... 45
Figura 39 – Bacias de deformação (WTT) medidas internamente a 30 ºC/1 Hz da mistura não convencional AR 12 Surf... 46
Figura 40 – Bacias de deformação (WTT) medidas internamente a 50 ºC/0,3 Hz da mistura não convencional AR 12 Surf ... 46
Figura 41 – Malha utilizada para simular o ensaio WTT no programa Phase2D ... 47
Figura 42 – Módulos de elasticidade obtidos através da análise numérica no Phase2D ... 48
Figura 43 – Evolução da deformação permanente da mistura convencional AC 14 Surf ... 49
Figura 44 – Evolução da deformação permanente na mistura não convencional AR 12 Surf . 50 Figura 45 – Rigidez da mistura convencional AC 14 Surf a 30 ºC/1 Hz ... 51
Figura 46 – Rigidez da mistura convencional AC 14 Surf a 50 ºC/1 Hz ... 51
Figura 47 – Rigidez da mistura convencional AC 14 Surf a 50 ºC/5 Hz ... 52
Figura 48 – Rigidez da mistura não convencional AR 12 Surf a 30 ºC/1 Hz ... 52
Figura 49 – Rigidez da mistura não convencional AR 12 Surf a 50 ºC/1 Hz ... 53
Figura 50 – Rigidez da mistura não convencional AR 12 Surf a 50 ºC/5 Hz ... 53
Figura 51 – Taxa de Deformação obtida no ensaio triaxial das misturas AC 14 Surf e AR 12 Surf ... 55
Figura 52 – Coeficiente de Poisson da mistura convencional AC 14 Surf a 30 ºC/1 Hz ... 56
Figura 53 – Coeficiente de Poisson da mistura convencional AC 14 Surf a 50 ºC/1 Hz ... 56
Figura 54 – Coeficiente de Poisson da mistura convencional AC 14 Surf a 50 ºC/5 Hz ... 57
Figura 55 – Coeficiente de Poisson da mistura não convencional AR 12 Surf a 30 ºC/1 Hz .. 58
Figura 56 – Coeficiente de Poisson da mistura não convencional AR 12 Surf a 50 ºC/1 Hz .. 58
Figura 57 – Coeficiente de Poisson da mistura não convencional AR 12 Surf a 50 ºC/5 Hz .. 59
Figura 58 – Comparação do módulo com a extensão axial no ciclo 1000 ... 60
Figura 59 – Comparação do módulo com a extensão axial no ciclo 100 ... 60
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 – Resumo dos resultados do ensaio de pista (Ahmad et al, 2011) ... 22
Tabela 2 – Granulometria utilizada e fuso da mistura AC 14 Surf ... 25
1 INTRODUÇÃO
1.1 Enquadramento geral
Os pavimentos rodoviários, por constituírem a estrutura de suporte do tráfego rodoviário, devem satisfazer ao longo da sua vida útil determinados níveis mínimos de qualidade estrutural e funcional. Porém, o aumento do tráfego pesado e da carga transportada (total e por eixo), observado desde a década de 1990 em Portugal e nos restantes países da União Europeia, levou a indesejados níveis de degradação dos pavimentos rodoviários e, em consequência, ao incumprimento dos referidos patamares de exigência estrutural e funcional (Baptista, 2006).
A ocorrência de deformações permanentes é um dos exemplos da redução da durabilidade dos pavimentos rodoviários sob a ação de cargas mais pesadas, em especial em países onde a qualidade de alguns materiais utilizados no pavimento é potencialmente menor, ou onde se verifiquem altas temperaturas ambientais, como acontece em várias economias emergentes onde algumas empresas nacionais se estão a instalar (Nejad et al., 2012).
Desta forma surgiu o interesse em aprofundar o conhecimento existente sobre o comportamento das misturas relativamente à sua deformabilidade, quer com ensaios de simulação, quer com ensaios fundamentais.
1.2 Objetivos
Os objetivos principais deste trabalho consistem na quantificação dos parâmetros mecânicos que definem o comportamento das misturas betuminosas relativamente à sua deformabilidade, de modo a melhorar a fiabilidade das simulações numéricas. Também se pretende comparar dois ensaios mecanicistas, o ensaio de pista (Wheel Tracking Test ou WTT) e o ensaio triaxial) que podem ser utilizados para quantificação da deformação permanente. Da concretização destes objetivos pretende-se:
Definir e caracterizar misturas betuminosas pela quantificação da sua deformabilidade; Relacionar a influência da velocidade de carregamento com a deformação permanente que
Caraterizar experimentalmente a influência da temperatura no comportamento irreversível das misturas betuminosas em relação à sua deformação;
Avaliar comparativamente a influência de diversos parâmetros de ensaio, procurando determinar relações que facilitem simulações de ensaios em condições particulares (por exemplo, a simulação de temperaturas elevadas pela adaptação da frequência de ensaio); Estudar a influência das condições de ensaio, pela avaliação comparativa de resultados dos
ensaios de pista e ensaio triaxial.
1.3 Organização da dissertação
O trabalho desenvolve-se ao longo de cinco capítulos, sendo que no primeiro capítulo são apresentados o enquadramento da dissertação, os objetivos da mesma, e a organização do estudo realizado.
O segundo capítulo é dedicado ao estado da arte, onde se realizou uma revisão bibliográfica do conhecimento no qual se baseou esta dissertação, possibilitando assim um maior conhecimento sobre a deformação permanente em misturas betuminosas.
No terceiro capítulo apresentam-se os materiais utilizados e o motivo da sua escolha, e mostra-se como foram produzidas as misturas. Inserido ainda neste capítulo, está a apresentação do modo como foram executados os ensaios, analisando as suas origens e aplicação atual, e também a forma como foi utilizado um programa de simulação numérica. Além disso referem-se algumas vantagens e desvantagens dos dois ensaios utilizados para a caracterização da resistência das misturas betuminosas à deformação permanente.
O capítulo quatro expõe os resultados obtidos em cada um dos ensaios, fazendo-se a sua análise e comentários a cada resultado. Os resultados são posteriormente comparados entre si para observar se existe coerência entre os valores obtidos.
No último capítulo (cinco) resumem-se as principais conclusões que a dissertação permitiu obter e as suas implicações, antevendo-se as possibilidades e necessidades de se desenvolver no futuro novas linhas de investigação com base em alguns melhoramentos propostos.
2 ESTADO DA ARTE
2.1 Importância do sistema rodoviário
O sistema de transporte rodoviário é um setor de importância vital para o desenvolvimento social e económico das sociedades ocidentais e de sociedades de países em vias de desenvolvimento, sendo o transporte rodoviário apoiado numa rede interligada de vias de comunicação que são materializadas por estradas. Desta forma, um sistema integrado de vias rodoviárias, constituído por pavimentos com um nível de qualidade elevado, é fundamental para o desenvolvimento das sociedades e economias acima referidas, garantindo conforto e segurança aos utilizadores destas vias. Assim, a introdução de novos métodos de formulação e avaliação do desempenho de misturas betuminosas, nomeadamente à deformação permanente, apresenta-se como imperativo (Gardete, 2006).
Durante as últimas décadas, o uso de misturas betuminosas tem-se massificado e o seu desempenho tem-se mostrado satisfatório na maior parte das estradas, autoestradas e aeródromos. Contudo, na última década intensificaram-se as cargas sobre os pavimentos, com o aumento da carga por eixo, alta intensidade do tráfego, e alguns erros de construção que conduziram à necessidade de aumentar a qualidade dos betumes usados (Nejad et al., 2012).
Hamed (2010) refere ainda que o desempenho de um pavimento betuminoso depende das características e propriedades volumétricas da mistura betuminosa e fatores externos como seja o clima e o tráfego automóvel. De facto, o seu desempenho estrutural e durabilidade dependem da evolução das propriedades mecânicas da mistura betuminosa, que evoluem de forma significativa desde o instante da produção da mistura até à fase de utilização. Ainda se pode referir que aquando da sua utilização, o comportamento da mistura betuminosa encontra-se severamente influenciado, quer pelos condicionalismos impostos pelo meio exterior onde se insere (nomeadamente pela ação da temperatura), quer pela deformação provocada pela ação das constantes cargas que lhe são aplicadas, nomeadamente trânsito rodoviário.
determinar parâmetros mecânicos que possibilitem a simulação numérica, assim como para avaliar a influência da velocidade de carregamento e da temperatura no comportamento irreversível de deformação das misturas betuminosas.
É necessário quantificar o comportamento a longo prazo de misturas betuminosas, e estudar possíveis relações entre a influência da temperatura e da velocidade de carregamento na resposta do material. Em seguida, e devido à grande influência que o betume tem no comportamento das misturas betuminosas em relação à sua deformação, serão apresentadas com algum pormenor as principais características deste material com influência nesta propriedade.
2.2 Caracterização do comportamento do betume
Atualmente o betume pode ser obtido a partir de duas fontes distintas, através de ocorrências naturais que foram formados ao longo do tempo e a partir da destilação de crude, tendo este último uma importância comercial muito maior (Navarro González, 2010).
O betume é constituído fundamentalmente por compostos orgânicos, nomeadamente hidrogénio e carbono, apelidados de hidrocarbonetos, que influenciam determinantemente as características físicas e químicas do betume (Scholz, 1995). Cumulativamente o betume contem também pequenas quantidades de metais como o vanádio, níquel, ferro, magnésio, cálcio que aparecem na forma de sais inorgânicos, óxidos que aparecem em estruturas porfirinas (Divinsly e Nesichi, 2004).
Redelius (2000) corrobora esta visão sobre a constituição do betume, apresentando o betume como um material semissólido, consistindo numa mistura de hidrocarbonetos com diferentes tamanhos moleculares contendo átomos heterogéneos, como sejam o enxofre, nitrogénio e oxigénio, assim como vestígios de vanádio e níquel. Por sua vez, Airey (2004) define o betume como um fluído termoplástico e viscoelástico, comportando-se como um sólido elástico a baixas temperaturas e/ou durante um carregamento rápido (alta frequência) e como um fluído viscoso a altas temperaturas e/ou baixas frequências (altos tempos de carregamento). Já Speight (1999), nas especificações europeias atuais, define o betume como uma substância virtualmente involátil, adesiva e resistente à água, derivada do petróleo, sendo
quase ou totalmente solúvel em tolueno, bastante viscoso e quase sólido à temperatura ambiente.
2.2.1 Sistema de especificação do betume
Segundo Zacharias et al. (2007) existem diferentes tipos de betumes, como sejam os betumes convencionais (performance grade ou PG), betumes de viscosidade reduzida, betumes modificados e emulsões betuminosas. Os betumes PG são obtidos através do processo de destilação tradicional ou através da mistura de dois ou mais componentes base. Os betumes de viscosidade reduzida são obtidos através da adição de destilados do petróleo, como o querosene, reduzindo a viscosidade do betume temporariamente para aplicação nos pavimentos. Este tipo de betume pode ser aplicado sobre a forma de “spray” e a temperaturas mais baixas do que os betumes PG devido à sua menor viscosidade, constituindo este facto uma vantagem. Relativamente aos betumes modificados, estes têm como objetivo aumentar a resistência estrutural e a resistência dos pavimentos à deformação permanente (razão pela qual se selecionou um destes betumes, o betume borracha, para utilização neste estudo), principalmente quando estes são submetidos a temperaturas elevadas, mas sem comprometer as propriedades dessas estruturas em relação ao restante espectro de temperaturas prevalecentes. Por último, as emulsões betuminosas são produzidas através do uso de um emulsionante com dois componentes químicos, sendo um deles uma cadeia de hidrocarbonetos que possui afinidade com o betume, em paralelo com uma componente carregada numa face e que possua afinidade com a água, podendo esta a carga ser positiva (catiónica) ou então negativa (aniónica).
A materialização de especificações destes diferentes betumes deve ser realizada por recurso a uma campanha de ensaios extensiva dos ensaios mais relevantes (Peralta, 2009), sem ambiguidades, para definir a sua aplicabilidade bem como os seus limites de validação, além de permitir a análise estatística aos valores teóricos nos campos da repetição de ensaios e da sua reprodução. O processo de criação de especificações relativas a betumes é um processo dinâmico, onde a implementação deve ser uma constante, sendo este item particularmente importante na transição de uma metodologia empírica para uma metodologia que é baseada no desempenho (Partl, 2004).
Através do programa Strategic Highway Research Program (SHRP), em utilização nos Estados Unidos da América, os diferentes tipos de betume são especificados primariamente através da temperatura que é registrada ao nível do pavimento, o que permite que o betume seja selecionado de acordo com uma gama de temperaturas que varia entre a mais baixa e a mais alta. As condições de carregamento do pavimento relacionadas com o desempenho a temperaturas elevadas está diretamente relacionado com os seguintes fatores: veículo a uma velocidade de 100 km/h e um volume de tráfego inferior a 107 eixos padrão equivalentes. As condições climatéricas são especificadas em termos da média das máximas temperaturas registadas num período de sete dias consecutivos, e da temperatura mínima registada durante um ano (Kennedy et al., 1994).
A metodologia desenvolvida pelo programa SHRP classifica os betumes através de graus de desempenho através da sigla PG, seguida de dois números. Tomando como exemplo um betume classificado como PG 64-22, o número 64 representa o grau de desempenho a alta temperatura, indicando que o betume apresenta as propriedades físicas adequadas para os locais onde a temperatura máxima registada seja de 64 ºC, e o número 22 representa o grau de desempenho a baixas temperaturas, indicando que o betume possui as características físicas necessárias para ter um bom desempenho até essa temperatura (Fontes, 2009).
As especificações baseadas no conceito PG foram desenvolvidas para betumes base, betumes modificados e misturas betuminosas, e permitem a seleção de materiais e a seleção de misturas com base nos requerimentos de desempenho que o pavimento irá ter em função da sua solicitação em termos de tráfego e condições climáticas existentes. Importa referir a existência de um protocolo que regula a modificação de betumes, permitindo a avaliação dos diferentes modificadores sem a necessidade de ensaios de campo prolongados, efetuando-se a avaliação do modificador ou da mistura para determinar se a especificação baseada no desempenho é ou não cumprida, incluindo também técnicas de medição do tempo, preservação de calor, separação de fase e estabilidade (Kennedy et al., 1994).
Alternativamente à metodologia SHRP é possível realizar a análise física de betumes, embora por si só não constitua uma base fiável de caracterização devido a certas limitações, como sejam a necessidade de existência de um relatório de desempenho do pavimento, de modo a poder ser comparado com os parâmetros de ensaio. Assim, a análise física é baseada em ensaios empíricos, ou seja, na experiência com a aplicação do ensaio de penetração e anel e
bola. Além desta limitação, não são fornecidas informações acerca do intervalo de temperaturas a que o pavimento poderá estar sujeito. Por exemplo, a viscosidade é uma propriedade importante dos betumes, mas esta só fornece informação acerca do betume a temperaturas elevadas, não fornecendo informação relativa a temperaturas médias e baixas (Asi, 2007).
Cominsky et al. (1994) indicam então que um sistema bimodal de classificação baseado em índices de desempenho racionais, que deve ser estabelecido para as temperaturas de serviço mais elevadas e mais baixas. A escolha do grau do betume a usar terá de ser então realizada em função da necessidade de controlar o fendilhamento do pavimento a baixa temperatura, além de evitar o aparecimento de rodeiras a temperaturas elevadas.
A incorporação de polímeros (incluindo borracha) no betume procura garantir uma maior recuperação elástica, um ponto de amolecimento do betume mais elevado, uma maior viscosidade, maior coesão e uma maior ductilidade (Navarro González, 2010).
Os betumes possuem duas características reológicas fundamentais, a termoplasticidade e a viscoelasticidade. A característica termoplástica conduz a que a viscosidade do betume aumente com a redução da temperatura, comportando-se a baixas temperaturas como um sólido com comportamento mecânico quase elástico. A viscoelasticidade do betume, acontece quando um betume bastante elástico é solicitado sem sofrer fratura (Hunter, 1994).
Segundo Yusoff et al. (2011), também é importante perceber como o betume flui/deforma em termos de desempenho do pavimento, em especial no que respeita à deformação permanente. O betume que flui e se deforma rapidamente é mais suscetível de provocar rodeiras no pavimento assim como a exsudação de betume, enquanto os betumes que são mais duros são mais suscetíveis de originar fenómenos de fadiga e fendilhamento. Deste modo, com recurso a ensaios reológicos no reómetro dinâmico de corte (Dynamic Shear Rheometer ou DSR), as propriedades elásticas, viscoelásticas e viscosas do betume podem ser avaliadas para uma gama alargada de temperaturas e frequências de ensaio, obtendo-se os seguintes parâmetros reológicos: módulo de corte e ângulo de fase. Mahrez e Karim (2003) corroboram que estes dois parâmetros irão permitir prever o comportamento futuro do betume no pavimento.
O objetivo primordial de um sistema de especificação será assegurar que os betumes podem ser comparados numa base de comparação conhecida e que essa mesma comparação permita a seleção de um betume possível para uma determinada aplicação. Assim, o sistema de especificação europeu desenvolvimento pela organização FEHRL (Forum of European National Highway Research Laboratories), atualmente em utilização em Portugal, é aplicável em praticamente toda a Europa, para todos os tipos de clima, condições de tráfego e ainda a todos os tipos de betume (FEHRL, 2006): convencionais, de grau múltiplo, e betumes modificados.
2.2.2 Propriedades viscoelásticas do betume
Devido a sua natureza viscoelástica, o comportamento do betume depende da temperatura e da velocidade de carga (características que também vão ser estudadas neste trabalho para análise da deformação permanente de misturas betuminosas). A distância a que um betume flui durante uma hora a 60 ºC pode ser a mesma que se mede durante dez horas a 25 ºC, ou seja, os efeitos do tempo e da temperatura estão relacionados (Figura 1). Assim, verifica-se que o comportamento a altas temperaturas durante curtos períodos de tempo é equivalente ao que ocorre a temperaturas inferiores com longas durações, sendo que este fenómeno é apelidado de equivalência tempo temperatura (Sousa, 1997).
Figura 1 – Comportamento do betume a diferentes temperaturas e tempos de fluência (adaptado de Anserson et al., 1994)
A viscosidade dos betumes é definida por Zacharias et al. (2007) como o rácio do esforço aplicado tangencialmente à amostra de betume em relação à velocidade relativa de fluência. Esta característica é influenciada pelas quantidades proporcionais relativas de três grupos
químicos, assim como pela temperatura do material, sendo que quanto maior for a quantidade de asfaltenos maior será a viscosidade do material (Hunter, 1994; Zacharias et al., 2007).
Quando o betume é sujeito a uma alta temperatura ou a um carregamento de duração prolongada, o betume comporta-se como um fluido viscoso sofrendo um elevada deformação plástica, sendo a deformação neste caso não reversível.
No campo da viscoelasticidade provou-se, através do modelo de Burger, que a baixas temperaturas, ou através da imposição de um esforço com alta frequência (baixa duração), o betume tende a comportar-se como um sólido elástico, voltando à sua posição inicial depois da remoção da carga. Contudo, a temperaturas excessivamente baixas, ou em conjugação com carregamentos rápidos e agressivos, poderá ocorrer fendilhamento ou mesmo uma rotura frágil (Zacharias et al., 2007).
Scholz (1995) evidencia que um betume tem de ser suficientemente rígido para aguentar a máxima temperatura que possa existir no pavimento (habitualmente, cerca de 60 ºC), de modo a evitar o fenómeno de deformação permanente, e suficientemente mole para resistir de forma satisfatória à rotura quando este for afetado por temperaturas muito baixas (habitualmente, por volta dos -20 ºC).
A Figura 2 ilustra o comportamento de um líquido viscoelástico, como o betume, que em certas condições se transforma num sólido viscoelástico, com deformação nula quando o tempo de resposta após carregamento tende para um valor elevado. Um líquido e um sólido viscoelásticos possuem tanto componentes elásticas como viscosas, pois, quando sujeitos a um carregamento, acontece uma deformação imediata correspondente a uma resposta elástica, seguida de uma deformação gradual dependente do tempo, podendo a mesma ser divida numa componente viscosa ou uma componente elástica de deformação temporal. Aquando da remoção da carga o movimento do fluido cessa, e quase nenhuma destas deformações é recuperável, sendo que a deformação da componente elástica, dependente do tempo, recupera minimamente (Redelius, 2000).
Figura 2 – Resposta mecânica do betume sob carga constante: (a) tensão aplicada, (b) resposta elástica, (c) resposta viscosa, e (d) reposta viscoelástica (Pumphrey, 2003)
Relativamente ao conceito de viscosidade de um fluido, define-se como a derivada da força de corte por unidade de área entre dois planos paralelos do fluido em movimento relativo. Assim, a viscosidade η pode ser determinada se conhecida a tensão de corte (τ = F/A) e o gradiente de velocidade de corte (γ = dv/dx) entre os dois planos, de acordo com a Equação 1.
η = (1)
Na maior parte dos casos o tempo é um fator importante no que diz respeito às propriedades observadas do fluido, sendo a influência do tempo medida, por exemplo, através do número de Deborah (Figura 3).
Segundo Partal e Franco (2009), o comportamento reológico dos materiais pode ser classificado como puramente elástico ou puramente sólido quando o número de Deborah (De) é bastante elevado. Por outro lado, caracterizam-se como puramente viscosos ou líquidos os materiais com um valor De muito baixo. Para valores intermédios de De, o material é classificado como viscoelástico.
Figura 3 – Classificação de líquidos e sólidos viscoelásticos através do número de Deborah (Partal e Franco, 2009)
2.2.3 Envelhecimento do betume
O endurecimento físico do betume ocorre à temperatura ambiente e é causado pela reorientação das moléculas de betume, sendo reversível através do reaquecimento. Este efeito foi reportado por Traxler e Schweyer (1936), que demonstraram que o endurecimento não é consequência do envelhecimento químico, especialmente devido à sua natureza reversível Traxler e Schweyer (1936, apud Lesueur, 2009).
O endurecimento do betume, devido ao tempo, é considerado um dos fatores que modifica as propriedades reológicas do betume, também conhecido como envelhecimento oxidativo, pois os betumes são constituídos por hidrocarbonetos que quando expostos ao oxigénio tendem a oxidar, sendo que o betume também volatiza quando exposto ao ambiente exterior, concluindo-se que a oxidação e a volatilização do betume são dois fatores que aumentam o seu endurecimento e viscosidade (Lesueur, 2009).
consequência o módulo de corte aumenta e o ângulo de fase fica com valores pequenos tornando o betume mais duro. Depois da mistura, o betume é suscetível de sofrer mais oxidação, durante o armazenamento do betume e após produção das misturas betuminosas, em conjunto com as elevadas temperaturas medidas no seu armazenamento, assim como no processo de transporte e colocação em obra. A segunda etapa, designada por envelhecimento secundário, ocorre lentamente durante a vida útil do pavimento. Este processo de envelhecimento aumenta a rigidez do betume, sendo por isso expectável uma redução da deformação permanente das misturas mais sujeitas a este processo, embora isso diminua a flexibilidade e a resistência à fadiga dessas misturas.
Depois de se descrever o comportamento do betume e a sua relação com a deformabilidade das misturas betuminosas, a estudar neste trabalho, em seguida será apresentada a revisão bibliográfica realizada sobre a deformação permanente dos pavimentos.
2.3 Caracterização da deformação permanente em pavimentos
Pereira e Miranda (1999) indicam que os pavimentos rodoviários podem apresentar uma variedade de degradações, sendo que as mais importantes podem agrupar-se em deformações, fendilhamento, desagregação da camada de desgaste, e movimento de materiais.
Nas deformações que podem ocorrer num pavimento distinguem-se, conforme a sua origem, as seguintes: abatimento (longitudinal, transversal), ondulação, deformações localizadas, e rodeiras. Relativamente às rodeiras, pode-se referir que estas se formam devido às deformações permanentes que ocorrem nas diferentes camadas que constituem o pavimento, desde o solo de fundação, camadas granulares e camadas betuminosas, podendo em países frios incluir-se o desgaste da superfície do pavimento ao longo da zona de passagem devido a veículos equipados com pneus de Inverno com pregos ou correntes de neve que são bastante agressivos para o pavimento (NCHRP, 2002).
Segundo Chen et al. (2004), todas as camadas de um pavimento contribuem em maior ou menor grau para a deformação total, importando salientar que a deformação permanente do pavimento rodoviário tem várias consequências, como seja a diminuição da segurança em tempo de chuva, pois dificulta a drenagem transversal. A acumulação de água nas rodeiras agrava os fenómenos de hidroplanagem. Esta questão é ainda mais agravada em países com
climas frios onde no Inverno ocorra a formação de gelo. Além disso, mesmo em climas secos, a existência de rodeiras no pavimento torna a condução mais difícil e imprecisa aumentando as dificuldades dos condutores e diminuindo a sua comodidade e segurança.
Deve-se ter em consideração que o comportamento de uma mistura betuminosa depende das proporções relativas dos seus componentes e das propriedades destes. Assim, o comportamento das misturas betuminosas relativamente à deformação permanente depende dos seguintes fatores (Pereira e Picado Santos, 2002):
Propriedades dos seus constituintes (agregado, betume e possíveis aditivos);
Composição da mistura betuminosa, isto é, proporções de cada componente na mistura, bem como a compacidade e processo de compactação;
Condições de serviço, como sejam a temperatura (que afeta a viscosidade do betume) e as ações do tráfego (pressão dos pneus, tipo de rodado, distribuição lateral, entre outros).
Pode-se verificar que a deformação permanente verificada numa camada betuminosa é o somatório de duas componentes (Gardete, 2006). Por um lado a sobrecompatação (densificação) da camada, que provoca uma diminuição de vazios e um correspondente assentamento à superfície do pavimento. Por outro lado, as deformações ocorridas por tensões de corte na camada betuminosa, devido aos efeitos das cargas do tráfego, que provocam essencialmente deformações sem variação de volume. Apesar da contribuição de cada uma destas componentes depender de diversos fatores, o aparecimento de rodeiras por deformação permanente de misturas betuminosas resulta principalmente de deformações por corte (SHRP, 1994a).
De facto, a contribuição relativa da deformação por corte é normalmente superior, especialmente em camadas betuminosas que apresentam valores elevados de deformação permanente. A densificação apenas apresenta uma contribuição relativa superior em pavimentos cuja compactação tenha sido insuficiente ou em pavimentos que apresentem valores de deformação permanente baixos (SHRP, 1994b). Devido a estes fatores, a deformação permanente ocorre na zona do pavimento onde se verificam as maiores temperaturas e as maiores tensões de compressão e de corte, ou seja na parte superior dos pavimentos. Alguns autores referem que as deformações permanentes nas misturas
Relativamente à influência da tensão de corte sobre um pavimento rodoviário, Su et al. (2008) refere que a tensão de corte é associada principalmente às características da estrutura do pavimento, ou seja, as propriedades do material, bem como à temperatura e ao tráfego. Tradicionalmente, as previsões de progressos para as deformações permanentes, RD (Rut Depth – sigla que traduz o valor da deformação ao nível das rodeiras) têm-se baseado na Equação 2, que tem em conta a deformação permanente como função da temperatura (T) e da repetição de carga (N).
= (2)
Contudo, recentes estudos (Su et al., 2008) indicam que a componente da repetição de carga geralmente varia com a exposição a diferentes cargas ou diferentes materiais, com dependendo em especial da magnitude da tensão e das propriedades da mistura. Com base nesses pressupostos, as deformações permanentes são determinadas com base na Equação 3.
= (3)
em que: = ( ) é função para a tensão de corte (ou tensão de tração); α, β, θ e µ são parâmetros que dependem das propriedades da mistura; τ e τ0 são valores da magnitude da tensão de corte esperada.
Pode-se dizer que no modelo de previsão apresentado por Su et al. (2008), a tensão de corte é usada para diferenciar a resistência às deformações permanentes do pavimento, enquanto a tensão de tração é usada apenas para a avaliação da tensão efetiva no pavimento, sendo as temperaturas de 20 ºC e 60 ºC designadas como a variação de temperatura representativa.
Importa reter que existe uma diferença temporal entre a ocorrência da contribuição por deformação por corte e por densificação (Gardete, 2006). A densificação ocorre durante a fase inicial de serviço do pavimento, em que o abaixamento que ocorre na zona de passagem dos rodados é superior às elevações que ocorrem dos lados. Após esta fase inicial, são as deformações por corte que contribuem para a deformação permanente. Nesta fase verifica-se que a um abaixamento na zona dos rodados corresponde um crescimento nas elevações laterais com praticamente o mesmo volume.
A deformação permanente aumenta com o número de carregamentos, isto é, a deformação permanente aumenta com a quantidade de rodados que solicitam o pavimento, como seria expectável. Esta evolução da deformação permanente com o número de carregamentos é não linear, como se observa na Figura 4.
Figura 4 – Evolução da deformação permanente num raio de ação de 1,2 metros em função ciclo de carregamento (Houben et al., 1999)
A evolução da deformação permanente em camadas betuminosas apresenta, segundo Zhou et al. (2004), três fases características. Numa primeira fase o acréscimo de deformação por carregamento é elevado. Este comportamento deve-se à deformação verificada não ser só devido a deformação por tensões de corte mas também existir densificação na camada betuminosa. Esta densificação da mistura betuminosa aumenta a resistência à deformação permanente pois melhora os contactos entre os agregados. Esta densificação processa-se até a mistura ter resistência suficiente para suportar as cargas sem sofrer mais redução de volume, passando as deformações a ocorrer a volume constante. Na segunda fase o acréscimo de deformação permanente por carregamento é inferior ao da fase anterior e toma um valor quase constante. Nesta fase as deformações ocorrem a volume constante devido a tensões de corte. A deformação evolui de uma forma quase linear com o número de carregamentos durante esta fase. Na terceira e última fase ocorre a designada rotura, em que o acréscimo de deformação
Na Figura 5 representa-se a evolução típica da deformação permanente com a identificação das diferentes fases atrás referidas. Na prática, e sob diversas condições, é possível que não ocorram uma ou mais fases.
Figura 5 – Fases da evolução da deformação permanente em misturas betuminosas (Feire, 2002)
A deformação permanente excessiva das camadas betuminosas do pavimento pode ocorrer nos primeiros anos de utilização do pavimento, enquanto o betume é jovem, sendo por isso menos viscoso (Gardete, 2006). Após o endurecimento do betume, devido à exposição a fatores ambientais e por oxidação este apresenta maior viscosidade, tornando-se mais resistente à deformação permanente.
Para além das consequências óbvias que advêm do surgimento das deformações permanentes nas camadas betuminosas e que pode levar à saída de serviço do pavimento, ou seja, o pavimento mesmo não estando intransitável provoca nos condutores sensação de desconforto, acresce ainda o facto de este fenómeno acontecer essencialmente no princípio da sua vida útil. Assim, a perceção negativa dos utentes e as consequências para a administração poderão ser mais nefastas que as ocorridas devido a outro tipo de degradações que se manifestam passados mais anos de serviço. A caracterização das misturas betuminosas relativamente à sua resistência à deformação permanente assume-se assim de fundamental importância.
2.3.1 Fatores que afetam a deformação permanente
Importa referir que no subcapítulo supratranscrito foram referidos os fatores que de algum modo influenciam o comportamento das misturas betuminosas à deformação permanente. Contudo, segue-se um conjunto de itens onde se pormenoriza com maior rigor os referidos fatores, e que vão ser estudados em mais pormenor neste trabalho.
Como referido anteriormente, diversos fatores estão envolvidos no fenómeno da deformação permanente das misturas betuminosas, como sejam as características das misturas e ações exteriores. As características das misturas dependem das propriedades dos seus elementos constituintes bem como da proporção destes na mistura. Nas ações exteriores incluem-se ações climatéricas, em especial a temperatura, e as características do tráfego, como sejam o número de veículos pesados, as cargas por eixo, o tipo e a pressão dos pneus e a velocidade de circulação. De forma isolada, pode analisar-se como cada fator influi no comportamento da mistura.
Importa salientar que no âmbito do presente estudo, os fatores relacionados com as características das misturas betuminosas, nomeadamente a tipologia de agregados, o grau de compactação da mistura e o tipo de betume, não serão o principal alvo de estudo, apesar de se estudarem duas misturas diferentes para ter este efeito em consideração. Assim, este trabalho apresentará com mais detalhes os fatores exteriores inerentes às deformações permanentes, nomeadamente o tráfego e a temperatura.
2.3.2 Influência do tráfego
O aumento do tráfego (especialmente o tráfego pesado), o aumento das cargas transportadas por eixo, a crescente substituição dos rodados duplos por rodados simples de base larga e o aumento da pressão de enchimento dos pneus estão na base duma mais acelerada formação de patologias em pavimentos rodoviários, nomeadamente os cavados de rodeira devido à deformação permanente em misturas betuminosas (COST 334, 1999).
Este aumento de tráfego levou à construção de pavimentos com espessuras de misturas betuminosas superiores, razão pela qual cada vez mais devem ser acauteladas questões
Devido à grande importância que o transporte rodoviário tem na economia, e visto que o estado das estradas pode afetar os custos operacionais, é de suma importância avaliar quais as consequências que estas alterações no transporte rodoviário têm no estado do pavimento das estradas da rede rodoviária. É fundamental procurar soluções, em termos de projeto, construção e conservação, que permitam mitigar estes problemas.
Na Figura 6 observa-se o efeito do aumento das cargas nos eixos dos veículos pesados no pavimento, nomeadamente na contribuição das diversas camadas constituintes do pavimento para a deformação permanente. Quando se compara o dano provocado pelas passagens de um eixo com 100 kN com o mesmo número de passagens de um eixo de 80 kN observa-se uma maior profundidade de rodeira, com um acréscimo da contribuição das camadas betuminosas. As primeiras camadas são aquelas onde se regista um maior acréscimo da contribuição para a deformação permanente, uma vez que constituem o elemento de contacto dos veículos ao pavimento e por tal motivo o nível de desgaste é superior (Chen et al., 2004).
Figura 6 – Efeito do excesso de peso por eixo nos pavimentos, e contribuição das diversas camadas para a profundidade de rodeira (Chen et al., 2004)
A velocidade de tráfego também influencia a deformação permanente. Para velocidades de tráfego baixas a resposta do pavimento é menos rígida. Isto corresponde a ter a carga sobre uma determinada zona do pavimento durante mais tempo, ou seja, um tempo superior de carregamento. Desta forma as deformações obtidas são superiores, existindo uma parcela de deformação irreversível também superior. Chen et al. (2004) referem que a extensão vertical
máxima nas camadas betuminosas provocada por um veículo pesado a 20 km/h é cerca do dobro da provocada pelo mesmo veículo a 80 km/h.
A distribuição lateral dos veículos também se apresenta como fator importante. Em locais onde o tráfego é mais canalizado, com menor distribuição lateral, os rodados solicitam sempre a mesma zona do pavimento, ocorrendo um crescimento mais rápido das rodeiras com o número de eixos. Quando a distribuição lateral dos veículos é maior, a formação de rodeiras por deformação das misturas é menor para o mesmo número de passagem de rodados.
2.3.3 Influência da temperatura
A temperatura afeta de forma substancial o comportamento das misturas betuminosas, pois influencia a viscosidade do betume. Quando a temperatura aumenta, o betume torna-se mais fluido, e a resistência à deformação das misturas betuminosas diminui. Nessas condições, para um determinado carregamento, a deformação ocorrida é superior. As deformações de origem viscosa, nomeadamente as irreversíveis, serão superiores, o que piora o comportamento da mistura à deformação permanente.
Verifica-se que a temperatura afeta as duas componentes da deformação permanente em misturas betuminosas, contribuindo para que ocorra uma maior deformação por corte na mistura, mas também para que ocorra uma maior densificação. Na Figura 7 pode observar-se o efeito da temperatura (40 ºC e 60 ºC) na deformação permanente de misturas betuminosas para uma mistura com betume convencional (original) e modificada com SBS (SBS mod).
Figura 7 – Efeito da temperatura na deformação permanente em misturas betuminosas em ensaios triaxiais realizados a 40ºC e 60ºC (Sargand e Kim, 2003)
É importante, para a avaliação laboratorial do comportamento das misturas betuminosas, que sejam utilizadas temperaturas representativas das condições a que a mistura estará sujeita em serviço. Como a acumulação de deformações ocorre essencialmente e mais rapidamente com temperaturas elevadas, as temperaturas de ensaio devem ser representativas destas condições. Assim, devem ser utilizadas temperaturas de ensaio na gama dos valores mais elevados que se esperam verificar in situ. Segundo Gardete (2006) é usual a utilização de temperaturas entre 40 ºC e 60 ºC em Portugal.
2.4 Relação entre a deformação permanente e o módulo de rigidez das
misturas betuminosas
No estudo realizado por Ahmad et al. (2011), estabeleceu-se como objetivo a avaliação da deformação permanente em misturas betuminosas densas (hot mix asphalt ou HMA) por recurso aos ensaios de compressão cíclica (triaxial sem confinamento e Simple Performance Test, SPT) para determinação do módulo dinâmico e ao ensaio de pista (WTT). De modo a correlacionar o módulo de deformabilidade com a temperatura e frequência de atuação da solicitação exterior, os autores procederam à avaliação da deformação permanente a temperaturas de 40 ºC, 45 ºC e 50 ºC, a frequências de 5 Hz, 3 Hz, 1 Hz e 0,5 Hz. Na referida investigação foram produzidas misturas densas com dois tipos diferentes de densidade usando o método de formulação do SUPERPAVE e de Marshall.
Como principal resultado do estudo foi possível estabelecer a correlação da deformação permanente do ensaio de compressão cíclica, a uma frequência de 5 Hz, e a profundidade da deformação permanente do ensaio de pista.
Nas Figuras 8 e 9 encontra-se representada a relação entre a frequência da solicitação externa e o módulo de deformabilidade, respetivamente para as misturas SUPERPAVE e Marshall.
Figura 8 – Evolução do módulo de rigidez em função da frequência da solicitação, para a mistura SUPERPAVE (Ahmad et al., 2011)
Figura 9 – Evolução do módulo de rigidez em função da frequência da solicitação, para a mistura Marshall (Ahmad et al., 2011)
No que concerne ao efeito da temperatura, observou-se que para frequências constantes, os valores do módulo de deformabilidade são maiores a baixas temperaturas e começam a
Frequência reduzida Módu lo de R igi dez ( MP a) Frequência reduzida Módu lo de R igi dez ( MP a)
ensaio a temperaturas mais baixas. Concluiu-se que quando a ligação do betume começa a amolecer, a rigidez da mistura betuminosa reduz-se e passa a ser controlada apenas pela estrutura do agregado dentro da mistura.
No que respeita aos resultados obtidos do ensaio de pista, apresentados na Figura 10, é visível que as misturas SUPERPAVE são mais resistentes à deformação permanente do que as misturas Marshall, e apresentam igualmente menores taxas de deformação permanente.
Na Tabela 1 pode-se perceber qual a relação entre a frequência e a temperatura, para o ensaio de pista, tendo como indicador a relação entre a taxa de deformação permanente (variação de deformação que o provete apresenta entre o início e o final do ensaio em função do número de aplicações de carga, cujo resultado é dado em mm/h). Importa salientar que a relação é apresentada sob os termos de forte, moderado e baixo para indicar de forma mais simples qual a conjugação de frequência/temperatura que introduz maior influência na deformação permanente do provete.
Figura 10 – Evolução da deformação permanente e rácio do ensaio de pista (adaptado de Ahmad et al., 2011)
Tabela 1 – Resumo dos resultados do ensaio de pista (Ahmad et al, 2011)
Frequência Temperatura
40ºC 45ºC 50ºC
0,5 Hz Forte Forte Forte
1,0 Hz Forte Moderado Moderado
2,0 Hz Moderado Moderado Moderado
5,0 Hz Baixo Baixo Baixo
Tempo (minutos) D ef o rmaç ão ( mm )
Finalmente, relacionou-se o módulo de elasticidade no ensaio de compressão cíclico com a deformação verificada no ensaio de pista (Figura 11), verificando-se existir correlações aceitáveis entre as propriedades avaliadas as ambos os ensaios.
Figura 11 – Relação entre o módulo no ensaio de compressão cíclica e a deformação no ensaio de pista a 50 ºC (Ahamad et al., 2011)
2.5 Ensaios mecanicistas de caracterização de misturas betuminosas
Nos métodos empírico-mecanicistas de dimensionamento de pavimentos, a deformação permanente no pavimento é controlada pela tensão de compressão gerada por um rodado de um veículo pesado no topo do solo de fundação. Deste modo, esses métodos também traduzem indiretamente o fenómeno da deformação permanente em misturas betuminosas (Gardete, 2006).
Os ensaios empíricos, não permitem de um modo geral quantificar a deformação permanente que irá ocorrer no pavimento. No entanto, permitem verificar se as misturas em estudo cumprem os requisitos relativamente a um parâmetro que representa esse fenómeno.
Alternativamente, para uma melhor previsão do comportamento real da estrutura rodoviária, deve-se recorrer a ensaios laboratoriais mecanicistas que permitam caracterizar o desempenho esperado das misturas betuminosas à deformação permanente.
D ef o rmaç ão ( mm )
Agrupam-se correntemente os ensaios existentes, aos quais é reconhecida alguma capacidade ou potencialidade para avaliar o comportamento à deformação permanente das misturas betuminosas, nas categorias indicadas em seguida (Brown et al., 2001; Freire, 2002).
Ensaios empíricos: o Ensaio Marshall o Ensaio Hveem Ensaios fundamentais:
o Ensaios de compressão uniaxial estático (ensaio de fluência) ou cíclico; o Ensaios de compressão triaxial (geralmente com cargas cíclicas); o Ensaios de corte, com aplicação de cargas estáticas ou cíclicas;
o Ensaios de compressão diametral (apesar de também serem ensaios com cargas de compressão, a carga é aplicada segundo o diâmetro do provete);
o Ensaio em cilindro oco, o qual permite aplicar simultaneamente tensões axiais e de corte no provete.
Ensaios de simulação:
o Ensaios de simulação de tráfego em laboratório (ensaio de pista); o Ensaios de simulação de tráfego em pista à escala real.
Face à lista de ensaios apresentados, e atendendo as normativas existentes (Europeia Americana), podem-se citar as principais normas utilizados para caracterizar a deformação permanente ao nível de misturas betuminosas:
EN 12697-22: Ensaio da resistência à deformação permanente; EN 12697-25: Ensaio uniaxial cíclico;
AASHTO TP7-01: SST “Standard test method for determining permanent shear strain in stiffness of asphalt mixtures using the SUPERPAVE shear test”;
EN 12697-16: Ensaio da resistência à abrasão provocada por pneus pitonados (embora este ensaio avalie deformação permanente causada por desgaste).
Tendo em consideração a normalização em vigor, bem como a diferente tipologia de ensaios aplicados para estudar a deformação permanente de misturas betuminosas, neste trabalho vão ser utilizados o ensaio de simulação de tráfego em laboratório, conhecido como ensaio de pista (WTT), bem como um ensaio fundamental de compressão triaxial com cargas cíclicas.
3 MATERIAS E MÉTODOS UTILIZADOS
3.1 Materiais
Para o presente estudo do comportamento da deformação permanente em misturas betuminosas, foram utilizadas duas misturas distintas: uma mistura convencional (AC 14 Surf) definida nas especificações nacionais, e uma mistura não convencional com betume modificado com borracha (AR 12 Surf). As duas misturas distintas foram escolhidas de modo a permitir estudar se são influenciadas de forma diferente por cada um dos ensaios mecanicistas utilizados, conhecendo-se a maior resistência à deformação permanente que as misturas modificadas habitualmente apresentam.
Para produção das misturas acima referidas foram utilizados agregados graníticos britados, habitualmente utilizados na zona Norte do país, nas frações em que são fornecidos na pedreira onde foram recolhidos, ou seja, 6/14, 4/10, 4/6 e 0/4. Além disso utilizou-se filer calcário que é aplicado para melhorar a compatibilidade com o betume e a trabalhabilidade da mistura. Na mistura convencional utilizou-se um betume convencional 50/70, e na mistura alternativa utilizou-se um betume (50/70) modificado com borracha (21%) no laboratório.
3.1.1 Mistura convencional (AC 14 Surf)
Os agregados utilizados na mistura encontram-se divididos em cinco frações granulométricas. A Tabela 2 apresenta o estudo da composição da mistura, assim como o fuso definido pelas especificações nacionais. A curva que melhor se ajustou ao fuso é apresentada na Figura 12.
Tabela 2 – Granulometria utilizada e fuso da mistura AC 14 Surf
Abertura (mm)
Brita 6/14 Brita 4/10 Brita 4/6 Pó 0/4 Filer
comercial AC 14 Surf Fuso AC 14 Surf 48,0% 3,0% 10,0% 35,5% 3,5% 100,0% Min Max 20,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100 100 14,0 92,0 100,0 100,0 100,0 100,0 96,2 90,0 100,0 10,0 40,0 97,0 100,0 100,0 100,0 71,1 67,0 77,0 4,0 2,0 4,0 10,5 94,0 100,0 39,0 40,0 52,0 2,0 2,0 2,0 3,9 73,0 100,0 30,8 25,0 40,0
Figura 12 – Curva granulometria e fuso da mistura AC 14 Surf
Para a produção da mistura, numa primeira fase os agregados foram colocados numa estufa a 180 ºC para secar, e foram posteriormente pesados. Entretanto, colocou-se o betume 50/70 (numa percentagem de 5,0%, de acordo com estudos de formulação anteriores) na estufa a 160 ºC para reduzir a viscosidade e garantir uma adequada trabalhabilidade à mistura. Depois de pesada, a mistura foi armazenada na estufa, juntamente com o balde de mistura e as pás, para não perder temperatura.
O tempo de amassadura necessário para que os agregados se misturem completamente com o betume foi de 90 segundos. A mistura foi colocada de seguida num molde que tem as medidas necessárias (Figura 13) para retirarem duas lajetas para o ensaio de pista ou 8 carotes para o ensaio triaxial. A compactação foi realizada por cilindro de rastos lisos (Figura 14).
Figura 13 – Laje (70 x 40 cm) produzida com a mistura convencional AC 14 Surf
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ,010 ,100 1,00 10,00 P a ss a do s (%) Dimensão do peneiro (mm)
.
Figura 14 – Cilindro utilizado para compactar as misturas
Ao efetuar uma boa compactação, a temperaturas adequadas, pode diminuir-se o volume de vazios na mistura, e assim esta deforma-se menos quando sujeita à passagem dos rodados. Caso o volume de vazios seja muito elevado, e quando solicitado pelos rodados, a mistura irá densificar-se, originando deformações mais elevadas numa fase precoce.
3.1.2 Mistura não convencional com betume borracha (AR 12 Surf)
Os agregados utilizados na mistura encontram-se divididos em cinco frações granulométricas distintas. A Tabela 3 apresenta o estudo da composição da mistura, assim como o fuso definido pelas especificações nacionais. Na Figura 15 apresenta-se a curva que melhor se ajustou ao fuso específico.
Tabela 3 – Granulometria utilizada e fuso da mistura AR 12 Surf
Abertura (mm) Brita 14/20 Brita 6/14 Brita 4/10 Brita 4/6 Pó 0/4 Filer Comercial AR 12 Surf Fuso AR 12 Surf 0,0% 35,0% 23,0% 20,0% 20,0% 2,0% 100,0% Min Max 20,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 14,0 21,48 97,0 100,0 100,0 100,0 100,0 99,0 90,0 100,0 10,0 1,91 62,0 97,0 100,0 100,0 100,0 86,0 58,0 88,0 4,0 0,90 3,0 4,0 12,0 91,0 100,0 24,6 20,0 32,0 2,0 0,89 1,0 2,0 4,0 71,0 100,0 17,8 12,0 20,0 0,5 0,85 1,0 2,0 2,0 38,0 100,0 10,8 6,0 13,0 0,125 0,64 1,0 1,0 2,0 17,0 100,0 6,4 4,0 8,0
Figura 15 – Curva granulometria e fuso da mistura AR 12 Surf
A execução das lajes da mistura não convencional, com betume borracha (Figura 16), foi idêntica à da mistura convencional. A diferença entre as misturas reside na máxima dimensão do agregado e no tipo de betume utilizado, além da granulometria desta mistura ser mais descontínua para permitir utilizar uma maior percentagem de betume borracha (9%).
Figura 16 – Laje da mistura não convencional AR 12 Surf
A percentagem de betume utilizada foi definida com base em estudos de formulação realizados em trabalhos anteriores, sendo que o valor de 9% obtido é usual neste tipo de misturas devido ao aumento de viscosidade resultante de se acrescentar borracha (21% da quantidade de betume). Assim, a mistura apresenta diminuta deformação apesar da elevada quantidade de betume. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ,010 ,100 1,00 10,00 P a ss a do s (%) Dimensão do peneiro (mm)
3.2 Métodos de ensaio
De entre os vários ensaios de avaliação da deformação permanente, apresentados no capítulo anterior, apresenta-se de seguida a descrição detalhada dos ensaios de pista e do ensaio triaxial, ensaios selecionados para execução deste trabalho atendendo às suas potencialidades como ensaio de caracterização do comportamento geomecânico das misturas betuminosas a temperaturas elevadas.
O ensaio de pista (CEN, 2003) foi selecionado por ser amplamente utilizado na caracterização do comportamento irreversível de misturas betuminosas, e o ensaio triaxial (CEN, 2001) é recomendado pela sua grande potencialidade como ensaio mecanicista fundamental, mas atualmente tem um uso limitado para caracterização de misturas betuminosas, sendo mais usado na prática geotécnica.
Em complemento aos ensaios de laboratório já referidos, recorreu-se a um programa de simulação numérica, o Phase2D (Slide – Rocscience), o qual permitiu realizar uma análise complementar dos resultados do ensaio de pista para determinação dos módulos de deformabilidade das misturas betuminosas a temperaturas elevadas por análise inversa.
3.2.1 Ensaios de caracterização dos betumes
Para produção das duas misturas betuminosas em estudo foram utilizados dois betumes com características distintas, um betume 50/70 convencional e um betume modificado com borracha. Estes materiais têm uma grande influência no comportamento à deformação permanente, e por isso fez-se a sua caracterização básica como se descreve em seguida.
3.2.1.1 Ensaio de penetração
O ensaio de penetração foi realizado de acordo com a norma europeia EN 1426 e consiste em preparar uma amostra de betume num recipiente apropriado, que depois é colocada num banho de água com temperatura controlada a 25 ºC. Finamente, a amostra é levada a ensaio onde é penetrada 3 vezes, durante 5 segundos, por uma agulha padronizada (em termos de dimensão e peso) num aparelho adequado denominado de penetrómetro (Figura 17). Para
