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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
KAIOLANI SCHMITT BITTENCOURT
ESTUDO DA VIABILIDADE DA INCORPORAÇÃO DE FIBRA DE COCO EM MISTURAS ASFÁLTICAS CONVENCIONAIS
Ijuí 2019
KAIOLANI SCHMITT BITTENCOURT
ESTUDO DA VIABILIDADE DA INCORPORAÇÃO DE FIBRA DE COCO EM MISTURAS ASFÁLTICAS CONVENCIONAIS
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheira Civil.
Orientador: Me. Daiana Frank Bruxel Bohrer
Ijuí 2019
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K
AIOLANI SCHMITT BITTENCOURTESTUDO DA VIABILIDADE DA INCORPORAÇÃO DE FIBRA DE COCO EM MISTURAS ASFÁLTICAS CONVENCIONAIS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 18 de Dezembro de 2019
Prof. Daiana Frank Bruxel Bohrer Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria – Orientador.
Lia Geovana Sala Coordenadora do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA Prof. Prof. Me. Ricardo Zardin Fengler Mestre pela Universidade Federal do Rio Janeiro
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AGRADECIMENTOS
Aos meus amados pais, Juarez e Eva, pela educação, amor, e pela força nos momentos difíceis da universidade, que sempre permaneceram presentes em toda caminhada. Espero poder contribuir um dia tudo que vocês me proporcionaram.
Aos meus avós, agradeço por tê-los sempre presentes na minha vida, em especial minha avó Cleci, pelo companheirismo, pelos risos, e pelas palavras de apoio e atitude de consolo nos momentos de dificuldade.
A minha orientadora, Daiana, pessoa a qual considero uma profissional e um exemplo de professora. Obrigada pelo conhecimento repassado, pela disposição em me ajudar sempre que precisei e pela paciência no desenvolvimento do trabalho de conclusão.
Às amigas, Ana e Nicolli, pela amizade e grande ajuda no início da realização deste trabalho.
Aos amigos, Alifer, Douglas, Leonardo, Lucas e Vinicius, por ter ajudado a tornar este trabalho em realidade, juntos conseguimos avançar e finalizar esta pesquisa.
À Gabriela, que gostaria de deixar o meu profundo agradecimento por toda ajuda, e apoio durante esse período de TCC que corremos juntas. Obrigada por tornar as manhãs de trabalho mais extrovertidas.
Ao Laboratório de Engenharia Civil da Unijuí (LEC), em especial ao Luiz Donato, por todo o suporte durante a realização dos ensaios, e também ao laboratório LMCC da UFSM.
À empresa PAIM da cidade de Ijuí-RS pela doação dos materiais utilizados nesta pesquisa.
À Isabella por toda a colaboração, disponibilidade na doação dos materiais e pela amizade.
À secretária Cassi, pelos serviços prestados.
Enfim, agradeço a Deus por ter me mantido na trilha certa durante este projeto de pesquisa.
RESUMO
BITTECOURT, K. S. Estudo da Viabilidade da Incorporação de Fibra de Coco em Misturas Asfálticas Convencionais. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2019.
Com a demanda de tráfego aumentando, a idade dos pavimentos avançando, com a falta de manutenção e os excessos sobre a carga máxima permitida por eixos, fica cada vez mais difícil reverter o quadro de deterioração. Este estudo pretende analisar o comportamento mecânico de concreto asfáltico com a incorporação de fibra de coco em misturas asfálticas convencionais. O processo de moldagem dos CP’s aconteceu através do ensaio de Marshall, consecutivamente foram determinados o ensaio de estabilidade e fluência, MR, RT e dano por umidade – adesividade. Os resultados dos ensaios das misturas com adições foram comparados com a mistura sem fibra e também com o estudo da tese de Vale (2007). As quatro misturas asfálticas desenvolvidas neste trabalho foram enquadradas na faixa C do DNIT, sendo denominadas como mistura referência, mistura com 0,3% FC, mistura com 0,5% FC, mistura com 1,0% FCG e mistura com 1,0% FGP, resultando no teor ideal de 5,0% de ligante asfáltico. Os resultados de estabilidade tiveram seus valores conforme a especificação recomenda; a fluência da mistura de 1,0% FCG apresentou valor superior que a norma recomenda. Além disso, a relação de estabilidade\fluência apresentou que apenas o teor 0,5% FC e de 1,0% FCP atenderam os valores indicados na literatura. No ensaio da RT, a maioria dos resultados mantiveram-se na faixa especificada pela literatura analisada, porém a mistura 0,3% FC obteve o maior valor de resistência do que das outras mistura. Conforme o ensaio de MR, nenhuma das misturas se enquadrou na especificação da norma. No ensaio de adesividade, pode-se verificar que nenhuma mistura atendeu as especificações da norma. De modo geral, a adição de fibra de coco nesta pesquisa não teve resultados satisfatórios.
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ABSTRACT
BITTECOURT, K. S. Estudo da Viabilidade da Incorporação de Fibra de Coco em Misturas
Asfálticas Convencionais. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil,
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2019.
With increasing traffic demand, the age of pavements advancing, lack of maintenance and excesses over the maximum permissible axle load, it becomes increasingly difficult to reverse the deterioration picture. This study aims to analyze the mechanical behavior of asphalt concrete with the incorporation of coconut fiber in conventional asphalt mixtures. The casting process of the RCs took place through the marshall test, consecutively the stability and creep test, MR, RT and moisture damage - adhesion were determined. The results of the tests of mixtures with additions were compared with the mixture without fiber and also with the study of Vale's thesis (2007). The four asphalt mixtures developed in this study were classified in the C range of DNIT, being denominated as reference mixture, mixture with 0.3% CF, mixture with 0.5% CF, mixture with 1.0% CFG and mixture with 1.0% FGP, resulting in the ideal content of 5.0% asphalt binder. The stability results had their values according to the recommended specification; the analysis of the creep of the mixture of 1.0% FGP showed a higher value than the standard recommends. Also, the stability ratio (fluency) showed that only the 0.5% CF content and 1.0% FFS met the above values that fit the standard. In the RT test, most of the results were in the range specified in the literature analyzed, but the 0.3% HR mixture obtained the highest strength value than the other data. According to the MR test, none of the mixtures fit the specification of the standard. In the adhesive test, it can be verified that no mixture met the specifications of the standard. In general, the addition of coconut fiber in this research did not have satisfactory results.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Espalhamento de Carga de Roda Através da Estrutura do Pavimento ... 22
Figura 2 – Estrutura do Pavimento Rigído ... 23
Figura 3 – Estrutura do Pavimento Flexível ... 24
Figura 4 – Classificação das Bases e Sub-Bases Flexíveis e Semi –Rígidas ... 25
Figura 5 – Comportamento de Diferentes Curvas Granulométrica ... 29
Figura 6 – Misturas Investigadas ... 34
Figura 7 – Fibra Celulose sem Ligante (a); Fibra Celulose com Ligante (b) ... 36
Figura 8 – Delineamento da Pesquisa... 40
Figura 9 – Brita 3\4 (a); Brita 3\8 (b); Pó de Pedra (c) ... 42
Figura 10 – Fibra de Coco ... 43
Figura 11 – Peso das Fibras de Coco (a); Volume das Fibras (b) ... 43
Figura 12 – Quarteamento ... 44
Figura 13 – Material Imerso (a); Material Saturado (b); Material Submerso (c) ... 47
Figura 14 – Picnômetro na Bomba de Vácuo ... 48
Figura 15 – Densidade do Ligante Asfáltico ... 49
Figura 16 – Mistura (a); Mistura Pronta (b) ... 50
Figura 17 – CP’s Moldado com Adição da Fibra ... 51
Figura 18 – Corpos de Prova Desmoldado ... 51
Figura 19 – Medição dos CP’s – Altura (a); Medição dos CP’s – Diâmetro (b) ... 51
Figura 20 – Peso dos CP’s Seco ... 52
Figura 21 – CP’s Sumersos ... 52
Figura 22 – CP’s em Banho Maria ... 54
Figura 23 – Ensaio de Estabilidade e Fluência ... 54
Figura 24 – Esquema do Ensaio de Compressão Diametral ... 55
Figura 25 – Ensaio de Resistência à Tração ... 56
Figura 26 – Ensaio de Módulo de Resiliência ... 57
Figura 27 – Grupo de CP’s Submetidos ao Condicionamento ... 59
Figura 28 – Curvas Granulométricas dos Agregados Utilizados ... 61
Figura 29 – Composição Granulométrica da Mistura Ref ... 64
Figura 30 – Curva do Volume de Vazios para a Mistura ... 65
Figura 31 – Curvas dos Vazios Agregado Mineral ... 66
Figura 32 – Curva da Relação Betume\ Vazios ... 66
Figura 33 – Curva da Massa Esécífica x Ligante ... 67
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Figura 35 – Curva de Fluência ... 67
Figura 36 – Estabilidade ... 69
Figura 37 – Fluência ... 71
Figura 38 – Estabilidade\ Fluência ... 72
Figura 39 – Resistência à Tração ... 73
Figura 40 – Módulo de Resiliência ... 75
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Diâmetro e Denominação de Pedras ... 29
Tabela 2 – Tipos de Fibras ... 35
Tabela 3 – Propriedades Mecânicas de Fibras ... 37
Tabela 4 – Características da Fibra de Coco ... 42
Tabela 5 – Sériei de Peneiras para Granulometria ... 45
Tabela 6 – Massa Específica do Agregado Miúdo ... 62
Tabela 7 – Densidade do Ligante ... 63
Tabela 8 – Estabilidade... 68
Tabela 9 – Fluência... 70
Tabela 10 – Estabilidade\Fluência ... 71
Tabela 11 – Resistência à Tração por Compressão Diametral ... 73
Tabela 12 – Módulo de Resiliência ... 74
Tabela 13 – Módulo de Resiliência x Resistência à Tração ... 76
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LISTA DE QUADRO
Quadro 1 – Relação da Quantidade de Corpos de Provas ... 41
Quadro 2 – Especificação e Composição Granulométrica da Mistura – Faixa C ... 60
Quadro 3 – Característica dos Agregados Utilizados ... 63
Quadro 4 – Porcentagens Individuais dos Materiais ... 64
LISTA DE EQUAÇÃO
Equação 1 – Massa Específica Aparente, em g/cm³ ... 46
Equação 2 – Massa Específica Real, em g/cm³ ... 46
Equação 3 – Absorção do Agregado, em Porcentagem. ... 46
Equação 4 – Densidade Real do Agregado Miúdo ... 47
Equação 5 – Densidade Relativa ... 48
Equação 6 – Porcentagem de Água Absorvida ... 52
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LISTA DE SIGLA
A - Massa do Picnômetro Vazio e Seco AAUQ - Argamassa Betuminosa
ABEDA Associação Brasileira das Empresas Distribuidoras de Asfalto ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
ADP- Asfaltos Diluídos
AMB - Asfaltos Modificados por Borracha AMP - Asfaltos Modificados por Polímeros AR - Agentes Rejuvenescedores
B - Massa do Picnômetro mais Amostra
C - Massa do Picnômetro mais Amostra mais Água CA- Concreto Asfáltico
CAP- Cimentos Asfálticos de Petróleo
CBUQ - Concreto Betuminoso Usinado a Quente CNT- Confederação Nacional do Transporte CP’s - Corpos-de-prova
CTB- Código de Trânsito Brasileiro CV- Coeficiente de Variância Ƹt - Deformação Específica
D - Massa do Picnômetro Cheio de Água D25 - Densidade Real do Agregado Miúdo
DAER\RS – Departamento Autônomo de Estradas de Rodagens do Rio Grande do Sul DAP - Densidade Aparente
DEF - Densidade Efetiva
DER- Departamento de Estradas de Rodagem
DNER - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT- Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes DP - Desvio Padrão
DR - Densidade Real
E - Estabilidade
EAP - Emulsões Asfálticas ≤ F ≤ - Fluência
FC - Fibra de Coco
FCG- Fibra de Coco com Comprimento Maior FCP- Fibra de Coco com Comprimento Menor FRN - Fundo Rodoviário Nacional
LVDT- Linear Variable Differential Transformer MR- Módulo de Resiliência
MEA - Massa Específica Aparente MER - Massa Específica Real, em g/cm³ NBR - Norma Brasileira
P1 - Carga
Ph – Massa ao Ar do Agregado - Superfície Seca Pi - Massa do Agregado Imerso
PR - Paraná
Ps - Massa do Agregado Seco Q - Carga
REF - Referência
REFAP - Refinaria Alberto Pasqualini RTT - Resistência Retida à Tração RS - Rio Grande do Sul
RT - Resistência à Tração Indireta SMA - Stone Matriz Asphalt SSS - Superfície Saturada Seca
SHRP - Strategic Highway Research Program
t - Tensão de Tração
UFSM – Universidade Federal de Santa Maria
__________________________________________________________________________________________ SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...17 1.1 Contexto...17 1.2 Problema...19 1.2.1 Objetivos da Pesquisa...19 1.2.2 Delimitação do Trabalho...20 2 REFERENCIAL TEÓRICO...21 2.1 Rodovias Brasileiras...21 2.2 Pavimento Asfáltico...22 2.3 Ligante Asfáltico...26 2.4 Agregado...28 2.5 Dosagem...30 2.5.1 Método Marchall...30 2.5.2 Superpave...32 2.6 Mistura Asfáltica...32
2.7 Análise Mecanística de Pavimentos...33
2.8 Mistura Asfáltica Modificadas por Fibras...35
2.9 Mistura Asfáltica Modificadas por Fibra de Coco...37
3 MÉTODO DE PESQUISA...40 3.1 Estratégia de Pesquisa...40 3.2 Delineamento...40 3.3 Materiais Utilizados...40 3.3.1 Agregados...41 3.3.2 Ligante Asfáltico...42 3.3.3 Fibra de Coco...42 3.4 Métodos Laboratoriais...44 3.4.1 Análise Granulométrica...44 3.4.2 Densidade Específicas...45 3.4.3 Agregados Graúdos...45 3.4.4 Análise Miúdos...47
3.4.6 Dosagem Marshall...49
3.4.7 Ensaio da Mistura Compactada...52
3.4.8 Determinação da Densidade Aparente...53
3.5 Ensaios Mecânicos...53
3.5.1 Estabilidade e Fluência Marshall...53
3.5.2 Resistência à Tração com Compressão Diametral...54
3.5.3 Módulo de Resiliência...56
3.5.4 Módulo de Resistência a tração X Módulo de Resiliência...57
3.5.5 Adesividade -Dano por umidade induzida...58
4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS...60
4.1 Caracterização dos Materiais...60
4.1.1 Análise granulométrica...60
4.2 Densidades e Massas Específicas...61
4.2.1 Agregado Graúdo...61
4.2.2 Agregado Miúdo...62
4.2.3 Ligante Asfáltico...63
4.3 Caracterização das misturas...63
4.3.1 Mistura Referência...63
4.4 Determinação do Teor Ideal de Ligante Asfáltico...64
4.5 Ensaios mecânicos...68
4.5.1 Estabilidade e fluência...68
4.5.2 Resistência à Tração por Compressão Diametral...72
4.5.3 Módulo de Resiliência...74
4.5.4 Relação MR x RT...75
4.5.5 Adesividade -Dano por umidade induzida...77
__________________________________________________________________________________________ 1 INTRODUÇÃO
1.1 Contexto
No ano de 1940 as rodovias brasileiras pavimentadas contavam com apenas 423 km entre rodovias federais e estaduais. Com o Decreto-Lei nº 8.463/1945, conferiu-se autonomia técnica e financeira para o Departamento Nacional de Estradas de Rodagem – DNER. Era a Lei Áurea do Rodoviarismo brasileiro, que criava o Fundo Rodoviário Nacional.
O transporte rodoviário no Brasil teve o auge de seu desenvolvimento entre as décadas de 1960 e 1980. Nesse período, a extensão da malha rodoviária federal pavimentada passou de 8.675 km, em 1960, para 47.487 km, em 1980. Essa expansão foi resultado dos investimentos nesse modal, com destaque para a criação do Fundo Rodoviário Nacional - FRN (CNT, 2014). A extensão de malhas rodoviárias no Brasil apresentou no ano de 2018 um total de 1.720.700,30 km, sendo que 1.349.938,50 km não são pavimentadas. Apenas 12,4% da malha rodoviária é pavimentada. A frota, por sua vez, aumentou 63,6% no período de 2009 a 2017, chegando a quase 100 milhões de veículos em circulação no Brasil. Analisando o aumento do volume de tráfego e da carga dos veículos nas rodovias, demonstra-se uma crescente pressão sobre as rodovias, assim torna-se cada vez mais importante que um pavimento atenda aos requisitos de alta durabilidade e segurança, proporcionando tranquilidade e conforto ao usuário (CNT, 2018).
A Confederação Nacional do Transporte (CNT, 2018) avaliou toda a malha federal pavimentada e os principais trechos estaduais também pavimentados. Dos trechos em estudo, 61,8% das vias pesquisadas apresentam algum tipo de problema sendo classificadas como regular, ruim ou péssima. Já a sinalização e a geometria da via têm classificação regular, ruim ou péssima, com índices de 59,2% e de 77,9%, respectivamente.
Com a demanda de tráfego aumentando e a vida útil dos pavimentos avançando, fica cada vez mais complicado de reverter o quadro de deterioração. Sabe-se que as irregularidades aumentam rapidamente quando a manutenção é negligenciada, tornando as restaurações cada vez mais onerosas (VALE, 2007).
Os revestimentos de pavimentos rodoviários, empregados no Brasil, são feitos com algumas misturas de minerais, para que, de forma correta com os ligantes asfálticos, fiquem garantidos, de acordo com o clima e o tráfego do local, alguns aspectos importantes, como a
impermeabilidade, flexibilidade, estabilidade, durabilidade, resistência à derrapagem, resistência à fadiga e ao trincamento térmico (BERNUCCI et al., 2008).
As camadas de misturas asfálticas, por sua vez, geralmente empregadas na camada de revestimento do pavimento, são compostas basicamente por agregados e ligantes asfálticos. O que influenciará as propriedades e o comportamento dessa camada é o processo de fabricação da mistura (CNT, 2017).
Muitas razões afetam o desempenho de um determinado pavimento, dentre estes destacam-se: o número e a magnitude das cargas do tráfego, as propriedades dos materiais e a sua heterogeneidade ao longo da via, o subleito, a frequência e as práticas de manutenção aplicadas ao longo do tempo (GONÇALVES, 1999).
Albano (2005) ressalta que um dos principais agentes da deterioração de pavimentos é o excesso de carga, assim reduzindo em até 80% da vida útil prevista para um pavimento.
As patologias e deformações permanentes podem ocorrer devido às solicitações das cargas elevadas associadas a altas temperaturas, enquanto o alto grau de trincamento pode ser analisado decorrente da fadiga dos revestimentos, quando não são utilizados materiais e/ou projetos adequados (MOURÃO, 2003).
As misturas asfálticas convencionais apresentam, adesão e propriedades mecânicas satisfatórias para a grande maioria das condições climáticas e de tráfego no Brasil, em determinados locais as condições mais agressivas de tráfego impõem certos limites aos cimento asfáltico convencional (LEITE, 1999).
Assim, novas tecnologias e materiais são avaliados para amenizar os defeitos, conferindo ao pavimento segurança e maior vida útil. Há cerca de trinta anos foi analisado que a adição de polímeros na pavimentação melhora significativamente suas propriedades, principalmente a resistência a fratura. Com a evolução das pesquisas proporcionou aprofundar os conhecimentos e analises de adição de outros materiais como, borracha, areia de fundição, fibras de vidros, fibras de polipropileno, entre outros (BRUXEL, 2015).
Entre estes materiais, a fibra de coco vem sendo estudada por diversos autores, contudo os resultados ainda não estão consolidados. As fibras de coco são constituídas de materiais lignocelulósicos, obtidos do mesocarpo (parte espessa fibrosa). Comparadas a outras fibras vegetais, a fibra de coco tem menor percentual de celulose (36 à 43%), entretanto a quantidade de lignina (41 à 45%) é cerca de duas vezes os valores existentes, conferindo-lhe uma maior resistência e dureza frente a outras fibras (ESMERALDO, 2006).
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Perante destas informações, a adição de fibras pode sim trazer benefícios para as misturas asfálticas nos sistemas de pavimentos convencionais, porém há a necessidade de aprofundar este estudos. O principal objetivo desta pesquisa é disponibilizar à engenharia rodoviária uma nova tecnologia e avaliar a viabilidade da incorporação utilizando, material ecológico em misturas asfálticas.
1.2 Problema
Questão principal
Qual será desempenho mecânico e a viabilidade da mistura asfáltica com a adição de fibra de coco, comparado com a mistura convencional?
Questões secundárias
Quais os efeitos da incorporação de fibra de coco na mistura asfáltica convencional? Qual a alteração da estabilidade e fluência com a adição de fibra de coco?
Qual o comportamento da adição de fibra de coco em relação a resistência mecânica?
1.2.1 Objetivos de Pesquisa
Objetivo Geral
O objetivo geral dessa pesquisa é avaliar a viabilidade da incorporação de fibras de coco, em misturas asfálticas convencionais, verificando o desempenho e o comportamento mecânico da mistura.
Objetivos específicos
Avaliar a influência da adição de fibras de coco, em pavimentos asfálticos convencionais;
Avaliar a influência da adição de fibra de coco em diferentes teores nas misturas asfálticas;
Avaliar o comportamento mecânico das misturas por meio de ensaios de resistência à tração estática por compressão diametral (RT), módulo de resiliência (MR), e estabilidade e fluência
Comparar os resultados obtidos com resultados de misturas convencionais, avaliar vantagens da aplicação do uso das fibras de coco.
1.2.2 Delimitação
A pesquisa delimita-se na adição de fibra de coco em misturas asfálticas nos sistemas de pavimentos convencionais, analisando os resultados que servirão de base para dados conclusivos da pesquisa.
__________________________________________________________________________________________ 2 REVISÃO DA LITERATURA
Este capítulo aborda conceitos sobre as referências bibliográficas, concebendo um breve histórico sobre o tema proposto, e o princípio de funcionamento da mistura asfáltica, assim como uma abordagem sobre misturas modificadas por fibras, baseando-se nos regulamentos de cada ensaio mecânico de pavimentação asfáltica.
2.1 Rodovias Brasileiras
A CNT (2017) realizou uma pesquisa com o objetivo de verificar os principais motivos do desgaste dos pavimentos no Brasil, e para possuir essa análise sucederam entrevista com especialista. Assim, apontaram possíveis razões da degradação do pavimento rodoviário do país.
As quatro categorias são:
i) Método de dimensionamento; ii) Tecnologias e processo construtivo; iii) Manutenção e gerenciamento; iv) Fiscalização.
Ainda de acordo com a CNT, a estrutura do pavimento deve ser eficaz para suportar o tráfego, considerando as condições climáticas dos locais. Através da análise a primeira categoria, que é método de dimensionamento do pavimento, utilizado no Brasil para determinação da espessura das camadas, é um técnica antiga de 1960 e não considera as diferenças climáticas de uma região para outra. Desta maneira, não são adicionados materiais de pavimentação mais modernos e se trata de um método empírico, quer dizer, que não contempla teorias sobre o desempenho elástico das camadas (CNT, 2017).
O estudo da CNT analisou os métodos de dimensionamento aplicados no Brasil com as técnicas implementadas nos Estados Unidos e Portugal. No Brasil, o pavimento asfáltico é executado para durar dez anos e nos outros países é projetado para ter uma vida útil de 20 a 25 anos (CNT, 2017).
A maioria dos pavimentos brasileiros já ultrapassou sua vida útil, e não obteve a manutenção adequada, sendo a melhor solução apresentada a reciclagem dos pavimentos existentes, considerada uma possibilidade que concebe vantagens econômicos e ambientais.
Outros tipos de materiais vêm ganhando espaço dentro da pavimentação flexível no Brasil, como o asfalto borracha e asfaltos modificados com polímeros. A usinagem morna também tem se tornado uma alternativa ecologicamente mais interessante do que a própria usinagem a quente, permitindo ganho de eficiência energética e redução das emissões de gases do efeito estufa (CNT, 2017b).
Os ensaios mecânicos, a tecnologia, os processos construtivos, a manutenção e fiscalização para o pavimento asfáltico são de grande importância para a prevenção das patologias decorrentes que surgem nas rodovias brasileiras (CNT, 2017).
2.2 Pavimento Asfáltico
As estruturas de pavimentos são sistemas de camadas sobre uma fundação chamada subleito. O comportamento estrutural depende da espessura de cada uma das camadas, da rigidez do subleito, ocorrendo interação entre os diferentes níveis do pavimento, estas devem resistir e distribuir esforços verticais ao subleito, resistir a esforços horizontais e tornar durável a superfície de rolamento, resistir a intempéries e proteger camadas inferiores da água (BERNUCCI et al., 2008).
O subleito suporta as cargas do tráfego e assim a função estrutural é resistir a ação das cargas das rodas que atuam na superfície, e distribuir a carga ao subleito sem exceder, tanto a resistência do subleito como a resistência interna do próprio pavimento, conforme mostra a Figura 1 (INSTITUTO DO ASFALTO, 2002).
Figura 1 – Espalhamento de Carga de Roda Através da Estrutura do Pavimento
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Quando o pavimento é solicitado por uma carga de roda (Q), transmitida à superfície do pavimento através dos pneus, recebe uma tensão vertical (o, de compressão) e uma tensão horizontal (o, de cisalhamento). O pavimento espalha a carga P1 da roda até o subleito (INSTITUTO DO ASFALTO, 2002).
Os pavimentos normalmente são divididos em dois tipos básicos: rígidos e flexíveis. Os termos rígido e flexível compreendem as reações estruturais dos materiais isoladamente como também as respostas estruturais do pavimento como um todo. Logo, descreve o desempenho do pavimento sobre ações de esforços externos. A diferença essencial entre os dois tipos de pavimentos é basicamente como eles irão distribuir a carga recebida pelo volume do tráfego para o subleito da estrutura (BALBO, 2007).
Pavimento Rígido: São constituídos por placas de cimento Portland, compostos por uma camada superficial de concreto (placas, armadas ou não) agregado graúdo (brita), agregado miúdo (areia), água, aditivos químicos como plástico ou aço e selante de juntas, são apoiadas sobre o solo de fundação ou sub-base, onde as placas desempenham as funções de revestimento e base (BALBO, 2007). A Figura 2 apresenta de forma ilustrativa a composição do pavimento rígido.
Figura 2 – Estrutura do Pavimento Rígido
Segundo o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte - DNIT (2006), pavimento rígido tem alta rigidez em relação às camadas inferiores no revestimento e, portanto, absorve praticamente todas as tensões provenientes do carregamento aplicado.
Pavimento Flexível: São constituídos por camada superficial asfáltica (revestimento), apoiada sobre camadas de base, de sub-base e de reforço do subleito, constituídas por materiais granulares, e ligantes asfálticos (DNIT 2006).
De acordo com o DNIT (2006), pavimento flexível é aquele em que todas as camadas sofrem deformação elástica significativa sob o carregamento aplicado, sendo um tipo de estrutura constituída de uma ou mais camadas de espessura finita, estável sobre um espaço, no qual o revestimento é betuminoso e o dimensionamento é conduzido pela resistência do subleito. A Figura 3 apresenta de forma ilustrativa a composição do pavimento flexível. Os principais materiais constituintes do revestimento são: material asfálticos, agregado graúdo e agregado miúdo.
Bernucci et al (2008, p. 9) disserta que:
[...] pavimento é uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas, construída sobre a superfície final de terraplenagem, destinada técnico e economicamente a resistir aos esforços oriundos do tráfego de veículos e do clima, e a propiciar aos usuários melhoria nas condições de rolamento, com conforto, economia e segurança[...].
Figura 3 – Estrutura do Pavimento Flexível
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Balbo, (2010) discorre que as partes constituintes são:
Subleito: é o terreno de fundação do pavimento, pode ser a estrada já com algum tempo de tráfego que será pavimentada, ou a terraplenagem executada.
Reforço do Subleito: é a camada com material superior em termos de resistência, comparando-se ao material encontrado no subleito, com a finalidade de adequar o subleito ao recebimento das camadas superiores e solicitações.
Sub-base: é a camada complementar à base, quando por circunstâncias técnico-econômicas não for aconselhável construir a base sobre a regularização.
Base: é a camada destinada a receber e distribuir uniformemente os esforços oriundos do tráfego sobre o qual se constrói o revestimento. Deve garantir que as tensões de flexão no revestimento não o levem ao trincamento prematuro.
Revestimento: é a camada tanto quanto possível impermeável, que recebe diretamente a ação do rolamento dos veículos e destinada a melhorá-la, quanto à comodidade e segurança, resistir ao desgaste, aos esforços verticais e horizontais. Também denominada Capa de Rolamento ou Camada de desgaste.
Acostamento: Parte da plataforma contígua à pista de rolamentos, destinado ao estacionamento de veículos, ao trânsito em caso de emergência e ao suporte lateral do pavimento.
A Figura 4 apresenta de forma ilustrativa a classificação das bases, sub bases e semi-rígidas
Figura 4: Classificação das Bases e Sub-Bases Flexíveis e Semi-Rígidas
Specht (2004, p. 26) registrou que:
[...] as camadas do revestimento incluem componentes de alto custo e merecem atenção especial. Dentre os fatores que influenciam o desempenho de uma camada asfáltica pode-se citar: características dos materiais, dosagem, condições de compactação, processo construtivo e plano de manutenção e restauração [...]
As estruturas dos pavimentos são projetadas para resistirem a numerosas solicitações de carga, dentro do período de projeto, sem que ocorram danos estruturais fora do aceitável e previsto. Os principais danos considerados são a deformação permanente e a fadiga. Para se dimensionar uma estrutura de pavimento deve-se conhecer bem as propriedades dos materiais que a compõem, sua resistência à ruptura, permeabilidade e deformabilidade, frente à repetição de carga e ao efeito do clima (BERNUCCI et al., 2008).
2.3 Ligante Asfáltico
De acordo com Bernucci et al. (2008) em torno de 97% das rodovias brasileiras possuem pavimento flexível, sendo o asfalto o componente principal das camadas de rolamento. Há diferentes motivos para o uso intensivo do asfalto em pavimentação, pois proporciona união entre os agregados que permite flexibilidade controlável, tem a função de impermeabilizar, é durável e resistente, pode ser aquecido e diluído.
O asfalto é composto de hidrocarbonetos provenientes do petróleo. Podem ser extraídos da natureza como lagos, rochas asfálticas ou por meio de procedimento de refino do petróleo. São utilizados em serviços de impermeabilização e juntamente com agregados para a produção de mistura asfáltica (BRUXEL, 2015).
Bernucci et al. (2008) ressalta que no mercado brasileiro existem vários tipos de ligantes asfálticos, são eles: os cimentos asfálticos de petróleo (CAP), emulsões asfálticas (EAP), asfaltos diluídos (ADP), asfaltos oxidados de uso industrial, asfaltos modificados por polímeros (AMP) ou por borracha (AMB) e agentes rejuvenescedores (AR). O mais empregado é cimento asfáltico de petróleo (CAP) também denominado concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ).
No Brasil utiliza-se a denominação CAP, para um ligante semissólido a temperaturas baixas - termoplástico, viscoelástico a temperatura ambiente, líquido a altas temperaturas e que retorna ao estado original após resfriamento, impermeável à água e obtido do refinamento de
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petróleo cru. De acordo com a consistência, os CAPs convencionais dividem-se em quatro classes: CAP 30-45; CAP 50-70; CAP 85-100 e CAP 150-200, sendo esses números relacionados à faixa de penetração obtida em ensaios de laboratório (BERNUCCI et al., 2008). Leite (1999) explica que o comportamento do fenômeno termoplástico promove o manuseio a quente, para aplicação em pavimentos e, por fácil resfriamento, o retorno às suas propriedades viscoelásticas correspondentes às condições de serviço.
Outro fator que o CAP proporciona é a impermeabilização da estrutura do pavimento, evita a penetração da água, causando escoamento superficial para as canalizações da drenagem. O cimento asfáltico de petróleo possui boa durabilidade. O contato com o ar propicia oxidação lenta, que pode ser acelerada pelo aumento da temperatura (LEITE, 1999.)
A composição dos CAPs é de 90 a 95% de hidrocarbonetos e de 5 a 10% de heteroátomos (oxigênio, enxofre, nitrogênio e metais – vanádio, níquel, ferro, magnésio e cálcio) unidos por ligações covalentes. O CAP tem baixo teor de metal e enxofre, e alto teor de nitrogênio (LEITE, 1999).
Abeda (2001) menciona que cerca de 98% do asfalto é obtido através do processo de refino de petróleo. No Brasil, a média histórica de consumo é de 1,7 milhão de toneladas/ano. Cerca de 95% são utilizados em pavimentos, sendo usualmente denominados cimentos asfálticos de petróleo (CAPs), os 5% restantes destinados à impermeabilização na construção civil e para finalidades industriais.
Leite (1999) acrescenta que o CAP produzido no Brasil, possui qualidade suficientemente boa para ser usado como ligante rodoviário. A utilização deste produto não chega a 15% do mercado americano e europeu de ligantes rodoviários devido ao preço elevado.
O pavimento flexível, que é construído com ligante asfáltico, apresenta menor custo de construção e proporciona um conforto maior aos usuários, pois não requer a construção de juntas de dilatação. Essas têm sido as principais razões do grande emprego de ligantes asfálticos em obras de pavimentação (REVISTA ENGENHARIA CIVIL, 2018).
O ligante asfáltico apresenta um baixo risco para a saúde, devendo cumprir práticas adequadas de uso. Como é manuseado sempre em temperaturas altas entre 107 Cº a 175 Cº, durante o transporte, estocagem e processamento, são necessários equipamentos especiais de proteção individual para manuseio (BERNUCCI et al., 2008).
2.4 Agregados
Os agregados são conjuntos de grãos minerais dentro de determinados limites de dimensão, naturais ou artificiais, britados ou não, utilizados em concretos asfálticos e de cimento Portland, misturas estabilizadas com ligantes e em diversas camadas que compõem a estrutura do pavimento (BALBO, 2007).
O agregado é responsável pela capacidade de suporte de cargas do pavimento, consequentemente, o desempenho dos pavimentos asfálticos é influenciado pelo agregado. Define-se o agregado como todo material mineral inerte, assim incluindo areia, pedregulhos, rochas britadas, escória e pó-de-pedra (INSTITUTO DO ASFALTO, 2002).
O nível de desempenho em serviço depende, também das propriedades geológicas, da sua composição mineralógica, sua composição química, sua granulação, seu grau de alteração, sua degradação, abrasão ou fratura. Para conhecer o desempenho potencial do agregado são realizados ensaios de laboratório e as experiências práticas para analisar como um agregado irá se comportar durante sua vida de projeto em um pavimento (BERNUCCI et al., 2008).
No que diz respeito à classificação, os agregados se dividem em função da sua natureza, do tamanho e da distribuição dos grãos. Quanto à natureza, a NBR 9935 (ABNT, 2011) classifica os agregados como:
• Natural: material pétreo granular que pode ser utilizado da maneira que é encontrado na natureza, podendo ser sujeito à lavagem, classificação ou britagem;
• Artificial: material granular resultante da industrialização que envolve alteração mineralógica, química ou físico-química da matéria-prima original;
• Reciclado: material granular proveniente do processo de reciclagem de rejeitos ou subprodutos da produção industrial, mineração ou construção, ou demolição da construção civil.
Já em função do tamanho, Bernucci et al. (2008) dividem os agregados em:
• Graúdo: material com dimensões maiores do que 2,0 mm, isto é, retido na peneira de número 10;
• Miúdo: material com dimensões maiores que 0,075 mm e menores que 2,0 mm, ou seja, retido na peneira de número 200 e passante na de número 10;
• Fíler (material de enchimento): material onde pelo menos 65% das partículas é passante na peneira de número 200, ou seja, é menor que 0,07 5mm.
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Na produção das misturas asfálticas os agregados são tratados em termos de faixas de determinados diâmetros, de acordo com a Tabela 1. Os principais tipos de graduações e suas representações conforme ilustradas na Figura 5.
Tabela 1 – Diâmetro e Denominação de Pedras
Denominação Faixa de Diâmetro (mm)
Pó-de-pedra < 2,4
Pedra 0 ou pedrisco Entre 2,4 e 9,5
Pedra 1 Entre 9,5 e 19,0
Pedra 2 Entre 19,0 e 38,0
Pedra 3 Entre 38,0 e 76,0
Fonte: Balbo (2007)
Figura 5: Comportamento de Diferentes Curvas Granulométricas
Fonte: Bernucci et al. (2008, p.123)
A classificação em função da distribuição dos grãos, conforme Bernucci et al. (2008), se fraciona em:
• Graduação densa ou bem-graduada: agregados que apresentam distribuição granulométrica contínua;
• Graduação aberta: agregados que apresentam distribuição granulométrica contínua, porém com falta de material fino;
• Graduação uniforme: agregados que apresentam a maioria de suas partículas com tamanhos em uma faixa bastante estreita, resultando em uma curva granulométrica muito íngreme;
• Graduação com degrau ou descontínua: agregados que apresentam pequena porcentagem de agregados com tamanhos intermediários que formam um patamar na curva granulométrica correspondente às frações intermediárias
As especificações de graduação de agregados foram desenvolvidas devido à necessidade de controlar os materiais para obter pavimentos adequados, obter a utilização ótima de materiais locais disponíveis e reduzir o custo pela padronização dos tamanhos (INSTITUTO DO ASFALTO, 2002).
2.5 Dosagem
Na dosagem de uma mistura asfáltica o conhecimento dos materiais, através da sua caracterização e avaliação, é essencial para determinar sua combinação de materiais (agregado e material asfáltico), e conseguir uma mistura que garanta um bom desempenho do pavimento, durabilidade, mistura estável, consumo adequado de ligante asfáltico, baixa deformação permanente, bom comportamento ao processo de fadiga e volume de vazios adequado (ROSSI, 2017).
As fatalidades sucedem em função de uma dosagem inadequada, em consequência da falta de conhecimento das características dos materiais e das propriedades das misturas. A dosagem irá determinar a proporção de cada material que será colocado nas camadas, de modo que finaliza-se em uma estrutura de pavimento com boa resistência e bom desempenho (ROSSI, 2017).
O teor de ligante asfáltico varia de acordo com o método de dosagem, sendo adotados procedimentos que indicam a proporção de cada material na mistura do agregado, desse modo, são utilizados os ensaios de Marshall, Superpave, Hveen, Triaixial de Schmidt e Hubard-field. Os mais utilizados são o método Marshall e Superpave. (BERNUCCI et al., 2008).
2.5.1 Método Marshall
O método de dosagem Marshall faz o uso da compactação por impacto, sendo desenvolvido no ano de 1933 por Bruce G. Marshall, no Departamento de Transporte do Mississipi nos Estados Unidos. Durante a Segunda Guerra teve-se a necessidade aumentar as
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cargas e as pressões dos pneus imposto pela aviação militar, devido ao desenvolvimento de pesados aviões de bombardeio (BRUXEL, 2015).
De acordo com Ceratti e Reis (2011), para a execução do método é necessário definir alguns parâmetros, descritos a seguir:
• Determinação das massas específicas do CAP e agregados; • Escolha da faixa granulométrica;
• Escolha da composição dos agregados de forma a enquadrar na faixa granulométrica escolhida;
• Escolha da temperatura de mistura e compactação, onde esta não deve ser inferior a 107°C e nem superior a 177°C para o ligante, e os agregados devem estar entre 10 a 15°C acima da temperatura do ligante, mas sem ultrapassar os 177°C;
• Adoção de teores de asfalto para os grupos de corpos de prova, sugerindo-se um teor de asfalto (T em %) para o primeiro grupo de CPs e os demais grupos com teores acima (T+0,5% e T+1,0%) e abaixo (T-0,5% e T-1,0%);
Para a preparação dos corpos de prova, deve- se compactar 50 golpes em cada face, nas condições normais, ou 75 golpes em cada face, para revestimentos a serem submetidos tráfego pesado (SENÇO, 2001).
Após a desmoldagem, obtêm-se as dimensões dos CPs (diâmetro e altura), as massas secas, massas submersas em água, massas especificas aparentes, chegando-se a relações volumétricas típicas de dosagem;
• A partir do teor de asfalto, ajusta-se o percentual em massa de cada agregado; • Cálculo da densidade máxima teórica correspondente ao teor de asfalto considerado; • Cálculo dos parâmetros de dosagem para cada corpo de prova;
• Por fim, os CPs são submersos em banho-maria a 60°C por 30 a 40 minutos e são submetidos aos ensaios de estabilidade e fluência.
Porém, o método de Marshall, apresenta algumas limitações, como pouca representatividade em relação ao campo, grande influência na determinação do teor de projeto, derivada de fatores ligados a preparação dos corpos-de-prova tipo soquete, formas de apoio etc. (BRUXEL, 2015).
2.5.2 Superpave
Na década de 1940 e 1990, as misturas asfálticas no EUA era dosadas pelo método Marshall ou Hveem. O método Superpave foi estudado e analisado pelo Strategic Highway Research Program (SHRP) - Programa Estratégico de Pesquisa Rodoviária americano no ano de 1987, para substituir os outros métodos (CERATTI E REIS, 2011).
Através desta nova metodologia Superpave, encontra-se ensaios de viscosidade, ensaios de envelhecimento na estufa e DSR (Dynamic Shear Rheometer), que controla os três tipos de falhas em pavimento, que são deformação permanente, trincamento por fadiga e trincamento térmico (LUCENA, 2005).
A dosagem Superpave tem duas distinções em relação ao Marshall. A primeira é o tipo de compactação, dosagem Marshall é realizada por impacto (golpes), dosagem Superpave é realizada por amassamento (giros). A segunda é pelo aspecto e escolha da granulometria da mistura de agregados, na qual a metodologia Superpave incluiu conceitos de pontos de controle 0 (BERNUCCI et al., 2008).
No Brasil esse método tem sido feito em algumas universidades federais e centro de pesquisas, mas em algumas obras já foram realizados esse procedimento. A desvantagem desse método é o alto custo para a aquisição dos equipamentos (BRUXEL, 2015).
2.6 Mistura Asfáltica
Nos pavimentos brasileiros emprega-se como revestimento uma mistura de agregados minerais e o ligante asfáltico garantindo os requisitos de impermeabilidade, flexibilidade, estabilidade, durabilidade, resistência à derrapagem, resistência à fadiga e ao trincamento térmico, de acordo com o clima e o tráfego previsto para o local (BERNUCCI et al., 2008).
Mistura asfáltica é uma mistura de materiais granulares, material de enchimento e ligante asfáltico. O ligante atua como agente aglutinante entre os agregados, de modo a fornecer rigidez e resistência à mistura de agregados e impermeabilidade (BRUXEL, 2015).
Bernucci et al. (2008) afirmam que as misturas asfálticas podem ser classificadas como a frio ou a quente. O primeiro grupo são os pré-misturados a frio densos, lama asfáltica, microrevestimento. Já a mistura a quente são designadas por concreto asfáltico (CA) ou concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ), argamassa betuminosa (areia asfalto, AAUQ), Stone Matri Asphalt (SMA).
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A mistura asfáltica a quente mais comum e tradicional empregada no país é o concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ). Trata-se de uma mistura de agregados minerais (naturais ou artificiais) de material fino (pó de pedra, cimento Portland e etc.) e de cimento asfáltico de petróleo (CAP), a qual é homogeneizada a quente, na usina misturadora (BALBO, 2007).
2.7 Análise Mecanística de Pavimentos
O objetivo da análise mecanística de pavimentos é a realização de verificações complementares capazes de melhor descrever os seus comportamentos mecânicos, principalmente em relação fadiga e o afundamento de trilha de roda. O propósito é aumentar a confiabilidade do dimensionamento estrutural dos pavimentos novos, e reforços e reatroanálise, para determinação dos módulos de resiliência das diferentes camadas. São frequentemente realizados em laboratório, e estabelecidos com o objetivo de reproduzir as condições de campo, embora impliquem às vezes na adoção de elevados fatores de ajuste campo-laboratório (BALBO, 2007).
Os ensaios mecânicos são divididos em ensaios convencionais (estabilidade Marshall), ensaios de módulo (resiliência, módulo complexo), ensaios de ruptura (resistência à tração direta, compressão diametral, flexão), ensaios de deformação permanente (simulador de tráfego, compressão ou tração axial estática, compressão ou tração axial de carga repetida) e ensaios complementares (BERNUCCI et al., 2008).
De acordo com Balbo (2007), o módulo de resiliência é a capacidade de um material não conservar deformações após ser interrompida a ação da carga. Um dos fatores mais importante em projetos de pavimentos é a resistência do subleito.
Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e então, após o descarregamento, ter a sua energia recuperada. A propriedade associada é o módulo de resiliência. Hveem (1951) preferiu usar o termo deformação resiliente ao invés de deformação elástica sob o argumento de que as deformações nos pavimentos são muito maiores do que nos sólidos elásticos com que lida o engenheiro (aço, concreto). Os materiais de pavimentação não são elásticos, sendo o uso da teoria da elasticidade uma aproximação (BERNUCCI et al., 2008).
O Módulo de Resiliência (MR) de misturas betuminosas é usualmente obtido através do ensaio de tração indireta, sendo definido como a relação entre a tensão de tração (t), aplicada
repetidamente no plano diametral vertical de uma amostra cilíndrica de mistura betuminosa, e a deformação específica recuperável (t) correspondente à tensão aplicada, numa dada temperatura (T). A aplicação de cargas pode ser por compressão uniaxial, tração indireta ou flexão em viga, as cargas podem ser senoidais ou quadradas (BERNUCCI et al., 2008).
O ensaio de Resistência à Tração Indireta (RT) determina a resistência à tração de corpos de prova cilíndricos de misturas betuminosas através do ensaio de compressão diametral. O corpo de prova pode ser obtido diretamente do campo por extração através de sonda rotativa ou fabricado em laboratório (DNER-ME 136/2018).
Bernucci et al. (2008) acumularam váriosresultados de ensaios de módulo de resiliência e resistência a tração por compressão diametral para diferentes misturas asfálticas, que podem ser observados na Figura 6.
Figura 6 - Misturas Investigadas.
Fonte: Bernucci et al. (2008, p.302)
É especificado pela norma DNIT 031/2006-ES um valor mínimo de RT para concretos asfálticos de 0,65MPa.
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2.8 Misturas Asfálticas Modificadas por Fibras
As fibras acrescentadas a produtos asfálticos têm sido aplicadas, há muito tempo, como materiais impermeáveis, mas somente nos últimos 20 anos iniciou-se a utilização de fibras em pavimentos. Através de testes e estudos realizados, o uso da fibra em pavimentos asfálticos atingiu níveis satisfatórios. Existem categorias de fibra que são utilizadas em mistura, para estudos de melhoramento e comportamento mecânico (HOMEM, 2002).
As principais vantagens e desvantagens da fibras, pode ser visualizada na Tabela 2.
Tabela 2 - Tipos de Fibras.
Fonte: PIARC (1998, apud SOUZA, 2010, p. 29) Natural
Asbesto
Industrializada
Sintéticas: acrílico, polietileno
Inorgânica: vidro, mineral
Metálicas: aço
O objetivo das fibras é evitar a segregação da mistura em seu transporte, impedir o escorrimento do ligante asfáltico e facilitar a aplicação. As fibras fazem com que o ligante betuminoso fique consistente a altas temperaturas, diminuindo a formação dos afundamentos de trilha de roda (MOURÃO, 2003).
Ao longo de estudos e análises das fibras, foram geradas novas pesquisas na área, geotecnia de reforço de solos de fundações; adição de fibras em concretos de cimento Portland; camadas de pavimentação (Souza, 2010).
A adição de fibras de celulose não modifica quimicamente o ligante, até certo ponto, aumenta as propriedades físicas do produto final, deste modo, ocorre o uso de elevado teor de ligante. E isso propende a aumentar a viscosidade do ligante para que este não escorra do agregado antes da compactação (VALE, 2007 apud HORST, 2000).
A Figura 7 (a) apresenta de forma real a fibra de celulose sem ligante e a Figura (b) com ligante.
Figura 7 – Fibras Celulose Sem (a); Ligante e com Ligante (b)
Fonte: (MOURÃO, 2003)
Segundo Homem (2002), as fibras influenciam em duas formas distintas quando aplicadas na mistura asfáltica. Existe a ação de curto prazo das fibras, que ocorre durante a produção, transporte e espalhamento na pista, deste modo, possibilita o aumento percentual de ligante asfáltico. A segunda é ação de longo prazo, que influência as propriedades mecânicas e
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a durabilidade da mistura, isso durante a vida de serviço. Assim a influência das fibras nas caraterísticas da mistura não pode ser generalizada.
A adição de fibras pode ser utilizada tanto na mistura a quente, quanto em mistura a frio. A diferença é que, no caso de mistura a quente as fibras são acrescentadas durante o preparo, já na mistura a frio é adicionada no momento de lançamento na camada em campo (HOMEM, 2002).
2.9 Misturas Asfálticas Modificadas por Fibras de Coco
As fibras de coco classificam-se na categoria celulose – fibra natural, e possuem alto índices de rigidez, dureza, são quimicamente inertes e resistentes a ácidos diluídos, destacam - se por apresentarem alta disponibilidade no país, baixo custo e propriedades físico-químicas (DOSSIÊ TÉCNICO, 2012).
Apresentam elasticidade maior do que as outras fibras vegetais, possuem capacidade de resistir a umidade e as altas variações climáticas. Apresenta baixa densidade e uma boa flexibilidade no processo, além de que são indicados para isolamento térmico e acústico, ainda são recursos renováveis, biodegradáveis e não abrasivos (VALE, 2007).
Na Tabela 3 abaixo pode-se comparar as propriedades mecânicas de outras fibras.
Tabela 3 -Propriedades Mecânicas de Fibras
Fonte: Bledzki & Gassan, 1999 (apud VELOSO, et al, 2010).
De acordo com Esmeraldo (2006), as fibras são constituídas de materiais lignocelulósicos, obtidos do mesocarpo (é caracterizado por uma camada bastante grossa e fibrosa). O processo de desfibração do mesocarpo para obtenção da fibra de coco pode ser feito por maceração em água ou por processos mecânicos. Segundo Veloso (2013), a vantagem de utilizar a fibra de coco e por ser um produto leve e resistente em comparação com os demais.
Em relação às propriedades mecânicas da fibra do coco, conclui-se que a densidade da fibra de coco é menor em relação às outras, o percentual de alongamento são semelhantes tanto nas fibras sintéticas como vegetais, exceto para as fibras de coco, que é superior as outras fibras (VELOSO, et al, 2013).
A fibra de coco tem valores pequenos com relação à resistência a tração e um módulo elástico. A sua mistura com outros materiais vai proporcionar um baixo aumento na densidade e proporcionar um alongamento muito bom (VELOSO et al., 2013).
Analisando a pesquisa de Vale (2007), em que utilizou a adição de fibra de coco em mistura asfáltica do tipo SMA com teor ótimo de CAP de 6,0%, pode - se observar que os resultados apresentaram boa eficiência com relação ao escorrimento, porém apresentaram dificuldades na sua trabalhabilidade durante a confecção dos corpos de prova, devido ao seu tamanho.
Os resultados encontrados pela autora no ensaio da RT variaram de 0,76 MPa com fibra de coco, 0,67 MPa com fibra de celulose e sem fibra 0,56 MPa. A RT com fibra de coco aumentou em relação a mistura de referência.
O ensaio de módulo de resiliência das misturas asfálticas SMA houve um decréscimo variando de 2689 MPa com fibra de coco 3184 MPa com fibra celulose e sem fibra 3423 MPa. O MR com fibra de coco aumentou em relação a mistura de referência.
Verificando outros estudos com fibra natural, Junges (2017) analisou fibra de capim anonni como material de reforço em misturas asfálticas. Foram utilizados cinco teores de CAP convencional para o estudo, com a seguinte dosagem 5,5 %,6,0 %,6,5 %,7,0 % e 7,5 %. Ainda aplicou quatro teores de fibra de capim com 0,5 % de fibra de 1 cm, 1,0% de fibra de 1 cm, 0,5% de fibra com 2 cm e 1,0% de fibra de 2 cm.
Os resultados de RT, verifica-se que os maiores valores foi da mistura convencional e quanto às misturas com fibras, as que possuem 1% de fibra apresentaram menor valor, e as misturas com um comprimento maior, de 2 cm, apresentaram um maior valor de RT.
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Outros dados observados foram o ensaio MR, as misturas com 2 cm de comprimento apresentou menores valores em relação as misturas com 1 cm, exceto na mistura de 0,5% 2 cm que dois teores de ligante apresentou valores maiores que a mistura 0,5% 1 cm. Deste modo, resultou analise que, quanto maior a porcentagem e o comprimento de fibra, menor é o módulo de resiliência obtido pelo aumento do volume de vazios dentro da mistura.
3 MÉTODO DE PESQUISA
Neste item apresenta-se o tipo de pesquisa e a sua classificação, bem como os métodos e procedimentos empregados no desenvolvimento do trabalho.
3.1 Estratégia de Pesquisa
Esta pesquisa classifica-se como básica.
Quanto aos procedimentos é uma pesquisa experimental.
Do ponto de vista da forma de abordagem a pesquisa pode ser classificada como quantitativa.
3.2 Delineamento
O trabalho está delineado como demonstra a Figura 8. Inicialmente realizou-se uma revisão bibliográfica para aprofundar os conhecimentos na área em estudo, criando embasamento teórico para a comparação da pesquisa experimental, seguido da composição da mistura e, por fim, análises dos ensaios laboratoriais, visando proporcionar o desenvolvimento do estudo da viabilidade da incorporação de fibra de coco em misturas asfálticas convencionais.
Figura 8 –Delineamento da Pesquisa
Fonte: Autoria própria 2019
Na pesquisa bibliográfica buscou-se aprofundar os conhecimentos gerais sobre os pavimentos e revestimentos asfálticos, suas composições e a relevância dos agregados na
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otimização dos resultados operacionais dos pavimentos, por meio de livros, normas, manuais e especificações técnicas.
Na segunda etapa definiu-se os materiais que seriam aplicados na pesquisa, para a sua caracterização através de ensaios normatizados e realizados no Laboratório de Engenharia Civil da Unijuí.
Consequentemente a segunda etapa da pesquisa foi o projeto de dosagem que evidenciou a incorporação de seis teores de ligante, com as seguintes porcentagens: de 4%, 4,5%, 5%, 5,5%, 6% e 6,5% com quatro corpos de prova para cada teor, que resultou em 24 corpos de prova moldados, com o objetivo de definir o teor ideal de ligante asfáltico.
Para os ensaios laboratoriais foram moldados 47 corpos de provas referente a quatro diferentes misturas, com teor de REF mais adição de 0,3%, 0,5%, 1,0% de fibra de coco nomeadas respectivamente: 0,3% FC, 0,5%FC, 1,0 % FCG e 1,0% FCP e com teor ideal de ligante de 5,0%. Foram, realizados ensaios de Estabilidade e Fluência, Resistência à Tração por Compressão Diametral e ensaio de Módulo de Resiliência que servem para verificar o comportamento mecânico da mistura, e o ensaio de Dano por Umidade Induzida. O Quadro 1 apresenta as quantidades e ensaios submetidos na pesquisa.
Quadro 1 - Relação da Quantidade de Corpos de Prova
Ensaios REF 0,3% FC 0,5% FC 1,0 % FCG 1,0% FCP
Dosagem Marshal 24 - - - -
Dosagem Marshall - Teor 5% 10 10 10 10 7
Estabilidade e fluência 3 3 3 3 3
MR\RT 4 4 4 4 4
Dano por Umidade Induzida 3 3 3 3 3
Total 71
Fonte: Autoria própria 2019
3.3 Materiais Utilizados 3.3.1 Agregados
Neste estudo foram empregados os agregados da empresa PAIM- Ijui-RS. Por se tratar de um agregado de boas características e uso intensivo na região, este agregados foi escolhido para compor a presente pesquisa. Os materiais britados foram coletados diretamente do estoque da pedreira.
Os agregados britados analisados para a composição da mistura são dos tamanhos, brita ¾, brita 3/8 e pó de pedra, todos os agregados provieram de rocha basáltica, apresentados na Figura 9 (a), (b) e (c).
Figura 9 – Brita ¾ (a); Brita 3/8 (b); Pó de Pedra (c)
Fonte: Autoria própria 2019
3.3.2 Ligante Asfáltico
O ligante asfáltico empregado neste estudo foi o CAP 50/70, que foi disponibilizado pela empresa PAIM – Ijuí - RS e produzido na Refinaria Alberto Pasqualini – REFAP, sediada em Canoas – RS. A escolha do CAP 50/70 é por ser o mais utilizado em obras de pavimentação no Estado Rio Grande do Sul - RS.
3.3.3 Fibra de coco
A fibra empregada nessa análise foi de coco, que é constituída de materiais lignocelulósicos, obtidos do mesocarpo (parte espessa fibrosa). Analisando a outras fibras vegetais, a fibra de coco tem menor percentual de celulose (36 à 43%), entretanto a quantidade de lignina é maior (41 à 45%), conferindo-lhe uma maior resistência e dureza frente a outras fibras (ESMERALDO, 2006).
A lignina é uma molécula com finalidade de conferir rigidez, impermeabilidade e resistência contra ataques biológicos aos tecidos vegetais. No estudo foi utilizada a fibra de coco com as características e propriedades apresentadas na Tabela 4. O material foi comprado pela empresa Nutriplan da cidade de Cascavel –PR, conforme a Figura 10.
Tabela 4- Características da Fibra de Coco
Fonte: Nutriplan 2019
B
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.Figura 10 - Fibra de Coco
Fonte: Autoria própria 2019
As misturas adicionadas com fibra, foi constituídas de brita 3/4”, brita 3/8”, pó de pedra, CAP 50/70 e a própria adição (fibra de coco), que teve o processo da perda da umidade, sendo deixada uma hora na estufa a 60 Cº. Na Figura 11 (a) e (b) apresenta-se o volume de fibra conforme sua porcentagem de adição nas misturas.
Figura 11- Peso das Fibras de Coco (a); Volume das Fibras (b)
Fonte: Autoria própria 2019
Para todas as misturas foram utilizadas 63,20 gramas de ligante, e o teor da fibra variou de 0,3% FC, 0,5% FC, 1,0% FCG e 1,0% FCP.
3.4 Métodos Laboratoriais 3.4.1 Análise Granulométrica
Foram executados ensaios físicos e mecânicos previstos nas normas brasileiras de forma a assegurar a caracterização dos agregados empregados no estudo. Conforme o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte – DNIT - ES 031/2006, realizou-se a análise granulométrica dos materiais escolhidos para esta pesquisa com intuito de analisar seu enquadramento nas faixas de trabalho. A norma estabelece que a escolha da faixa deve ser realizada através do diâmetro máximo dos agregados.
A análise granulométrica consistiu em realizar o quarteamento das amostras para reduzir as quantidades mínimas indicadas na norma DNER-ME 083/98, comovisualiza-se na Figura 12. Em seguida realizou - se a secagem do material na estufa à temperatura entre 105 °C e 110 °C. Assim sendo, ocorreu a distribuição do agregado por meio de uma série de peneiras, onde a massa do material retido em cada peneira foi comparada com a massa total da amostra do agregado seco, determinada por meio da norma DAER/RS-EL 102/01.
Figura 12 - Quarteamento
Fonte: Autoria própria 2019
A Tabela 5 apresenta a faixa granulométrica aceitável pelo DNIT para projeto. Com base nos estudos, as misturas foram enquadradas na faixa C.
__________________________________________________________________________________________ Tabela 5- Série de Peneiras para Granulometria
Fonte: DNIT ES-031 (2006, p.5)
3.4.2 Densidades Específicas
A massa especifica máxima ou densidade máxima é dada pela análise entre as massas obtidas dos materiais que constituem as misturas asfálticas. Geralmente é expressa em t/m³, kg/dm³ ou g/cm³ (BERNUCCI et al. 2008).
Segundo BERNUCCI et al. (2008), existem três tipos de massas especificas, sendo:
Real (Dr): é a relação entre a massa seca e o volume real.
Aparente (Dap): é a relação entre a massa seca e o volume aparente do agregado (inclui volume do agregado solido mais o volume dos poros superficiais contendo água).
Efetiva (Def): a relação representa a massa seca e o volume efetivo (volume do agregado sólido somado ao volume de poros permeáveis à agua não preenchidos por asfalto).
3.4.3 Agregados Graúdos
A norma aplicada para a determinação da densidade dos agregados graúdos foi a DAER/RS-EL 105/2001. Para a execução das etapas indicados pela norma, se faz necessário conhecer duas definições: densidade real e aparente.
Imergir o material já limpo em água por um período de 24h, conforme Figura13 (a);
Remover o material da água, enxugar as partículas visíveis da água e determinar a massa da amostra na condição saturada superfície seca (Ph);
Dispor a amostra no recipiente, imergi-lo completamente em água potável e determinar a massa do agregado imerso (Pi);
Secar o material em estufa, deixá-lo resfriar a temperatura ambiente e, por fim, determinar a massa do agregado (Ps).
A densidade e absorção do agregados, são calculadas pelas seguintes equações 2, 3 e a 4: 𝑀𝐸𝐴 = PS Pℎ−P𝑖
[1] 𝑀𝐸R = PS P𝑆−P𝑖
[2
] A = Pℎ−PS P𝑆𝑥
100 [3] Onde:MEA= massa específica aparente, em g/cm³; MER= Massa específica real, em g/cm³; A = Absorção do agregado, em porcentagem.
Ph = massa ao ar do agregado na condição saturada de superfície seca, em g; Pi = massa do agregado imerso, em g;
Ps= massa do agregado seco, em g.
Visualiza- se na Figura 13 o ensaio da densidade do agregado graúdo: A) O Material Imerso, B) O Material Saturado e C) Material Submerso.
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Figura 13 – Ensaio da Densidade do Agregado Graúdo
Fonte: Autoria própria 2019
3.4.4 Agregados Miúdos
De acordo com a DNER-ME 084/1995, a realização dos procedimentos indicados por esta norma, faz necessário a utilização do picnômetro, sendo a relação da massa da amostra à 25°C. O cálculo da densidade do agregado miúdo deu-se através da Equação 5:
𝐷25 = b − a
( d−a )−(c−b)
[4] Onde:
D25 = densidade real do agregado miúdo a 25/25°C; A = massa do picnômetro vazio e seco, em g;
B = massa do picnômetro mais amostra, em g;
C = massa do picnômetro mais amostra mais água, em g; D = massa do picnômetro cheio de água, em g.
Primeiro se pesa o picnômetro vazio (A), após enche-se o picnômetro com o material e pesa novamente (B). Após, completa-se com água até certo ponto do picnômetro e leva-se para a bomba, para retirar o ar da amostra, como demonstra a Figura 14.
Passados 20 minutos na bomba, se completa o picnômetro com água e se pesa (C), esvazia-se o picnômetro, limpa - se e o completa somente com água pesando-se (D). A relação dos pesos, demonstrados na equação acima, determina a massa especifica real.
B C
