AVALIAÇÃO DO DANO POR UMIDADE INDUZIDA E DA RECUPERAÇÃO DE TRINCAS EM MÁSTIQUE

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1

Aluno(a) de Doutorado – Texas A&M University

2

PhD, Professor – Texas A&M University

3

PhD, Professor – Universidade Federal do Ceará

RECUPERAÇÃO DE TRINCAS EM MÁSTIQUE

Kamilla L. Vasconcelos

, Amit Bhasin

, Dallas N. Little

, Jorge B. Soares

Este Trabalho Técnico foi preparado para apresentação no 18° Encontro de Asfalto, realizado no período de 23 a 25 de maio de 2006, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Técnico foi selecionado para apresentação pelo Comitê Organizador do Evento, seguindo as informações contidas no trabalho completo submetidos pelo(s) autor(es. O conteúdo do Trabalho Técnico, como apresentado, não foi revisado pelo IBP. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás, Sócios e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho Técnico seja publicado nos Anais do 18° Encontro de Asfalto.

Resumo

A fadiga é um dos maiores defeitos encontrados em misturas asfálticas usadas em revestimentos de pavimentos. A análise do mástique vem sendo uma alternativa para previsão do comportamento da mistura asfáltica. O Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) é uma importante ferramenta para acesso a propriedades do material como: módulo complexo e ângulo de fase. O DMA possibilita o acompanhamento da evolução do dano na amostra ao longo de vários ciclos, além de poder ser realizado a tensão e a deformação controlada. No presente trabalho, o DMA foi utilizado para o acesso a vida de fadiga de uma mistura de mástique em três diferentes condições: (i) original; (ii) umidade induzida; e (iii) e períodos de repouso, a fim de avaliar a susceptibilidade à ação deletéria da água e a recuperação de trincas (todas elas a deformação controlada). Os resultados foram avaliados através da variação no número de ciclos antes da “ruptura” da amostra (N), bem como da variação do módulo complexo para o caso das amostras sob condição de umidade induzida. Estes mostraram que sob condição de umidade induzida a mistura sofreu redução de aproximadamente 50% no número N e 80% no módulo complexo, e que, quando adotados os períodos de repouso o aumento no número N foi de mais de 250%.

Abstract

Fatigue is one of the most common distresses found in asphalt mixes used in pavement surfaces layers. The analysis in the mastic has become an important alternative to access the behavior of mixtures. The Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) is an important device to obtain some material properties such as: complex modulus and phase angle. DMA provides the possibility to follow the damage evolution with the increase in the number of cycles. It can also be used in the stress or strain controlled mode. In the present study the DMA was used to investigate the fatigue life of a mastic under three different conditions: (i) original; (ii) induced moisture; (iii) rest period, in order to access the susceptibility to moisture damage and also the healing potential (all the tests were performed in the strain controlled mode). The variation in the admissible number of load repetitions (N) was used to analyze the results. For the samples with induced moisture, the variation in the complex modulus was also analyzed. The results showed that under moisture conditions, the N value decreased approximately 50% and the complex modulus 80%. On the other hand, when rest periods were used, the N values increased more than 250%.

1. Introdução

Fadiga é uma forma de trincamento resultante da repetição de cargas (Rao Tangella et al., 1990). Nos ensaios de laboratório em misturas asfálticas, a vida de fadiga tem-se mostrado uma função do modo de carregamento, podendo ser a tensão, ou a deformação controlada. Os modos mais comuns de ensaio em laboratório são: flexão simples, flexão com suporte, diametral, axial, triaxial e ensaios de fratura. Alguns ensaios utilizam um carregamento com tensão/deformação reversa, a fim de eliminar, ou diminuir, o efeito da deformação permanente, como é o caso do carregamento senoidal.

No Brasil, o ensaio de fadiga na área de pavimentação é normalmente realizado em misturas asfálticas a tensão controlada, utilizando-se corpos-de-prova cilíndricos, ensaio a compressão diametral com uma freqüência de

1Hz. Em algumas universidades americanas o equipamento Dynamic Mechanical Analyser (DMA) vem sendo utilizado como uma forma mais eficaz de análise do dano por fadiga de misturas de mástique. Acredita-se que o mástique influencia o fenômeno de formação e propagação de trincas em misturas asfálticas. Conforme mencionado por Castelo Branco et al. (2005), o ensaio de mástique por meio do DMA possui a vantagem de utilizar um corpo-de-prova (CP) de tamanho reduzido, possibilitando a economia de material e conseqüentemente a produção de um maior número de amostras.

O presente trabalho consiste da avaliação da vida de fadiga de um mástique em três diferentes condições: (i) original; (ii) umidade induzida e (iii) com período de repouso, a fim de avaliar a susceptibilidade da mesma à ação deletéria da água, bem como a sua capacidade de recuperação de trincas. Os ensaios foram realizados com o DMA sob condição de deformação controlada e freqüência de 10Hz.

2. Dano por Umidade em Misturas Asfálticas

A identificação da sensibilidade à ação deletéria da água em misturas asfálticas é um passo importante no processo de seleção de materiais e dosagem de misturas asfálticas. A seleção inadequada de materiais e a falha na correta determinação da sensibilidade à umidade podem resultar em defeitos prematuros no pavimento, bem como em custos excessivos com manutenção e reabilitação.

A adesividade existente entre agregado e ligante asfáltico é um importante parâmetro relacionado com a sensibilidade de misturas asfálticas à umidade. Segundo Terrel e Al-Swailmi (1994), existem três mecanismos pelo qual a umidade pode comprometer o desempenho de uma mistura asfáltica: (i) perda de coesão (resistência) e dureza do filme de ligante, que podem ser por diferentes mecanismos; (ii) falha na adesão entre agregado e ligante; e (iii) degradação ou fratura de partículas de agregado quando sujeitos a congelamento.

Em estudos passados, Rice (1958) identificou alguns dos mecanismos responsáveis pela adesão e pelo descolamento entre agregado e ligante, são eles: reações químicas, ligações mecânicas e adesão física baseada na energia livre de superfície. Ishai e Craus (1977) também analisaram os três mecanismos quando da utilização de fíleres ativos como a cal hidratada. Os três mecanismos podem ainda ser encontrados em literatura mais recente (Terrel e Al-Swailmi, 1994; Little et al., 2002; Kanitpong e Bahia, 2003). Pocius (1997) descreveu a contribuição da rugosidade da superfície para a melhoria na adesão em termos de intertravamento mecânico entre agregado e ligante. Nesse contexto, o intertravamento é significativo a nível macroscópico e microscópico.

Um método comum de identificar a sensibilidade à umidade é através da determinação da razão entre propriedades mecânicas (resistência a tração, módulo, etc) antes e após a indução de umidade (Lottman, 1982; Al-Swailmi e Terrel, 1992). Solaimanian et al. (2004) apresentaram uma tabela com diferentes ensaios de sensibilidade à umidade para amostras compactadas. O teste de sensibilidade à ação deletéria da água mais usado no Brasil segue o procedimento descrito em AASHTO T 283, baseado no trabalho de R.P. Lottman (NCHRP Project 4-08), e um posterior trabalho realizado por D.G. Tunnicliff e R.E. Root (NCHRP Project10-17) (Epps et al., 2000; Moura, 2001). O termo umidade induzida refere-se a qualquer técnica utilizada para causar dano acelerado por umidade em amostras de misturas asfálticas. Existe, porém, a dificuldade de associar os resultados de ensaios de laboratório com o desempenho das misturas em campo (Epps et al., 2000).

3. Recuperação de Trincas (Healing) em Misturas Asfálticas

A recuperação de trincas ocorre durante períodos de repouso quando nenhum trabalho externo é realizado, ou durante a aplicação de carga compressiva, fazendo com que microtrincas voltem ao estágio inicial. Conforme mencionado por Little et al. (2003), uma significante parcela do fator campo-laboratório em ensaios de fadiga é devido à recuperação de trincas. O maior responsável por esse fenômeno é o ligante asfáltico e/ou o mástique. O processo de recuperação de trincas pode ser monitorado através de indicadores de dano, conforme ilustrado na Figura 1. O indicador mostrado no eixo y é função do número de ciclos (N), módulo complexo do material não danificado na região viscoelástica linear (G0), e módulo complexo do material danificado (G*). Observa-se da figura abaixo que este indicador apresenta um queda brusca quando ocorre o rompimento da amostra.

Figura 1. Visualização do processo de recuperação de trincas

De acordo com Little et al. (2001), um significativo aumento na energia dissipada é observado quando comparados os gráficos de tensão-deformação antes e depois de períodos de repouso. Essa recuperação pode ser devido: (i) a recuperação de trinca em si (healing); e/ou (ii) relaxação do material. A tendência à recuperação de trincas pode também ser determinada medindo-se a diferenca das áreas no gráfico de tensão pseudo-deformação (Schapery, 1984) antes e depois do período de repouso, denominado Índice de Recuperação de Trincas (IRT). Na teoria proposta por Schapery, o dano que ocorre na amostra é representado por pseudo-variáveis, a fim de eliminar a dependência viscoelástica do tempo. O IRT não é uma propriedade do material, de forma que ele fornece apenas uma visão geral da tendência à recuperação de trincas devido ao período de repouso.

Kim et al. (1998) documentaram a recuperação de trincas durante o ensaio de fadiga com períodos de repouso em vigotas através dos seguintes aspectos: (i) aumento no número de repetições de carga antes da ruptura da amostra; (ii) considerável recuperação da rigidez do material após os períodos de repouso; e (iii) deslocamento horizontal no gráfico da pseudo-rigidez versus número de ciclos. O conceito de pseudo-rigidez tambem é explicado na teoria desenvolvida por Schapery (1984).

4. Procedimento Laboratorial

Para o presente estudo adotou-se uma mistura composta por agregado e ligante provenientes da biblioteca de referência do SHRP (Robi et al., 1991; Jones IV, 1993). De acordo com a nomenclatura adotada pelo SHRP foi utilizado agregado RA e asfalto AAB. O agregado RA é de origem granítica (98,6% granito e 1,4% basalto), possui graduação de fina a média e tem aparência no geral cinza clara. Informações mais detalhadas sobre todos os agregados da biblioteca de referência do SHRP podem ser encontradas em Robi et al. (1991). O asfalto AAB foi caracterizado como um PG 52-22. A Tabela 1 apresenta algumas características desse asfalto, complementadas em Jones IV (1993).

Tabela 1. Características do asfalto AAB (Jones IV, 1993)

Características Medida Asfalto Virgem Viscosidade 140 F (60 C), Poise 403 275 F (135 C), cSt 193 Penetração 77 F (25 C), 100g, 5s 166 39,2 F (4 C), 100g, 5s 13

Asfalto Envelhecido (TFOT)

Mudanca de massa, % -0,0149

Viscosidade

140 F (60 C), Poise 1073 275 F (135 C), cSt 263

O mástique testado nesse trabalho foi proveniente de uma mistura de concreto asfáltico com agregado de tamanho máximo nominal igual a 12,5mm. O mástique é composto por material passando na peneira N 16 (1,18mm), fíler (passando na peneira N 200) e asfalto. A Figura 2 apresenta as distribuições granulométricas da mistura completa e do mástique. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 5 10 15 20 Abertura da Peneira (mm) % Pa s s a n d o Concreto Asfaltico Mastique

Figura 2. Granulometria do concreto asfáltico e do mástique correspondente

O procedimento de dosagem utilizado foi o mesmo adotado por Zollinger (2005) e Castelo Branco et al. (2005), inicialmente proposto por Kim et al. (2003). Basicamente o método consta da utilização de dois fatores, a fim de reproduzir o mástique de uma mistura completa (concreto asfáltico). Esses fatores são: (i) quantidade de fíler dividido pela quantidade de asfalto em volume, e (ii) massa de asfalto mais massa de fíler dividido pela massa de agregado miúdo. Os valores adotados para ambos os fatores foi de 10%, que levou a um percentual de ligante em massa de 8,9% para o mástique. O processo de compactação da mistura adotado seguiu o proposto por Zollinger (2005), onde um corpo-de-prova (CP) de 150mm de diâmetro é moldado com o Compactador Giratório Superpave (CGS) e em sequência as amostras de 12mm de diâmetro por 50mm de altura são extraídas do mesmo. A compactação do CP de 150mm de diâmetro foi feita ajustando-se o CGS para finalização do processo quando atingido 87% da densidade máxima teórica (Gmm). Esse valor baseou-se em testes com outros percentuais e outras misturas, onde algumas vezes não foi possível atingir o %Gmm determinado, mesmo com elevado número de giros. O volume de vazios foi medido para cada um das amostras pequenas e estes apresentaram uma média de 15,1%. A Figura 3 ilustra o CP de 150mm moldado para obtenção do CP de 12mm de diâmetro, bem como o DMA utilizado para os ensaios.

(a) (b)

Figura 3. (a) Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) e (b) Obtenção do corpo-de-prova utilizado no DMA Os ensaios em todas as amostras foram feitos a deformação controlada, carregamento senoidal a torsão, freqüência de 10Hz a 25 C. Inicialmente testou-se as amostras a uma amplitude de deformação de 0,0065%, a fim de

obter-se as propriedades viscoelásticas do mástique. Em seguida, procedeu-se o ensaio à amplitude de 0,2% até a ruptura das amostras. Foram testadas amostras do mesmo mástique através do DMA em três diferentes condições: (i) original; (ii) após umidade induzida; e (iii) com períodos de repouso. O intuito foi o de avaliar o material com relação à sensibilidade a ação deletéria da água e a recuperação de trincas.

A umidade foi induzida nas amostras através dos seguintes passos: (i) saturação através de bomba de vácuo a aproximadamente 70% (Figura 4); (ii) imersão em banho a 50 C por 24h; (iii) banho a temperatura ambiente (25 C) por 3h; (iv) retirada do banho e secagem ainda a temperatura ambiente até que a superfície esteja sem a presença de água, para que a amostra possa ser colada nos seguradores.

Figura 4. Saturação da amostra do DMA através da aplicação de vácuo

Para avaliação da capacidade de recuperação de trincas adotaram-se 9 períodos de repouso de 4 minutos cada. Estes foram realizados a 2,5; 5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; e 50% do menor valor de vida de fadiga (N) obtido nas amostras originais (sem umidade induzida e sem período de repouso), que para essa mistura foi de 11000 ciclos.

4.1. Resultados DMA

Para todas as amostras foram calculados os parâmetros viscoelásticos (módulo complexo e ângulo de fase) no ensaio a baixa amplitude de deformação (0,0065%) resumidos na Tabela 2. Os gráficos da Figura 5 ilustram alguns dos resultados obtidos através do DMA para amostras preparadas nas três condições mencionadas.

Tabela 2. Parâmetros viscoelásticos do mástique nas três condições avaliadas

Condição da Mistura Módulo Complexo Cisalhante Linear (Pa)

Ângulo de Fase ( )

Original 2,48E+08 20,12

Umidade Induzida 2,08E+08 24,82

Período de Repouso 2,43E+08 20,47

0.00E+00 5.00E+03 1.00E+04 1.50E+04 2.00E+04 2.50E+04 0 10000 20000 30000 40000 50000 N N x G */ G 0 Original Umidade Induzida Periodo de Repouso 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 10000 20000 30000 40000 50000 N G */ G 0 Original Umidade Induzida Periodo de Repouso (a) (b)

0 10 20 30 40 50 60 0 10000 20000 30000 40000 50000 N A n g u lo d e F a s e Original Umidade Induzida Periodo de Repouso 0.00E+00 5.00E+07 1.00E+08 1.50E+08 2.00E+08 2.50E+08 0 10000 20000 30000 40000 50000 N M o d u lo C o m p le x o ( P a ) Original Umidade Induzida Periodo de Repouso (c) (d)

Figura 5. Alguns resultados do DMA para as três condições de ensaio avaliadas

A vida de fadiga foi determinada através do parâmetro N G*/G0, mencionado no item 3, ilustrado na Figura 5(a). Este é um parâmetro simples de identificação do ponto de ruptura do material (geralmente atribuído como 50% de redução na rigidez da msitura), mas que para algumas misturas pode apresentar alto coeficiente de variação, devido a diferentes condições iniciais das amostras testadas. Masad et al. (2006) propuseram a utilização de dois parâmetros para avaliação do dano por fadiga: (i) raio de propagação da trinca para um determinado número de ciclos, R(Nf); e (ii) a razão entre R(Nf) e ln(N), que segundo os autores apresentaram coeficiente de variação mais

baixo em relação a outros parâmetros empiricos. Para o presente trabalho as amostras analisadas nas condições investigadas (original, umidade induzida e período de repouso) apresentaram coeficiente de variação de 16,4; 29,7 e 5,3%, respectivamente.

A Figura 6 ilustra um loop de histerese de uma das amostras de mástique, representando a evolução do dano na referida amostra. As 13 séries mostradas no gráfico são referentes ao primeiro ciclo e mais 12 ciclos referentes a percentuais da vida de fadiga (5; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; e 110%). O loop de tensão-deformação tende a diminuir a inclinação com a redução da energia dissipada, que é determinada pela área dentro do loop (para o caso do ensaio a deformação controlada, a tensão aplicada diminui devido a diminuição da rigidez da amostra). Para o caso específico dessa mistura, a área do loop aumentou e a inclinação manteve-se constante até certo ciclo, devido a alta rigidez do material. A queda brusca na inclinação do loop nos últimos ciclos deveu-se à fratura da amostra, onde se observa diminuição da tensão aplicada.

-250000 -200000 -150000 -100000 -50000 0 50000 100000 150000 200000 250000 -0.003 -0.002 -0.001 0 0.001 0.002 0.003 Pseudo deformacao T e n s a o Ciclo 1 5% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110%

A avaliação quantitativa da ação deletéria da água foi feita utilizando dois procedimentos (Tabela 3): 1) razão entre a vida de fadiga (N) obtida após umidade induzida e a vida de fadiga na condição original; 2) razão entre o módulo complexo cisalhante linear (G*) após umidade induzida e na condição original.

Tabela 3. Resultados comparativos pra condição original e com umidade induzida

Ensaio Original Umidade Induzida Razão

Vida de Fadiga (N) 13.002 6.957 53,5%

Módulo Complexo Cisalhante Linear (G*) 2,48E+08 2,08E+08 84,1%

Para avaliação da capacidade de recuperação de trincas se adotou apenas a razão entre a vida de fadiga após umidade induzida e a vida de fadiga na condição original (Tabela 4).

Tabela 4. Resultados comparativos entre a condição original e com períodos de repouso

Vida de Fadiga (N)

Razão Original Período de Repouso

13.002 34.751 267,3%

Os resultados apresentados mostram a variação nas propriedades viscoelásticas, bem como na vida de fadiga, de misturas asfálticas quando submetidas a umidade induzida, ou a períodos de repouso. O DMA foi capaz de capturar as diferentes propriedades para as diferentes condições de ensaio, mostrando que a mistura analisada possui baixa resistência a umidade, porém com alto potencial para recuperação de trincas. Conforme abordado por Kim et al. (2002), a análise de parâmetros obtidos através do DMA permite ainda avaliar os diferentes mescanismos de fadiga de misturas com ligantes modificados.

5. Conclusões

O presente trabalho constou da avaliação de uma mistura de mástique composta por agregado (passando na peneira N 16) de origem granítica e uma ligante asfáltico classificado pela biblioteca de referencia do SHRP como um PG 52-22. As amostras foram obtidas de um CP cilíndrico de 150mm compactado através do CGS e possuem dimensões de 12mm de diâmetro por 50mm de altura. A mistura foi testada através do DMA a deformação controlada sob três diferentes condições: (i) original; (ii) umidade induzida; (iii) períodos de repouso.

A avaliação da mistura com relação à susceptibilidade à ação deletéria da água foi feita através da mudança no módulo complexo e na vida de fadiga (N), quando umidade era induzida nas amostras. Os reultados mostraram decréscimo de 53,5% no módulo complexo e 84,1% no número N. Com relação à capacidade de recuperação de trincas, a mistura apresentou um aumento de mais de 250% na vida de fadiga, quando aplicados 9 períodos de repouso de 4 minutos cada. Um outro ponto importante observado foi o comportamento do loop de histerese. Devido a alta rigidez da mistura, a área do loop aumentou ate certo número de ciclos, mantendo a mesma inclinação. Nos últimos ciclos houve a queda da inclinação e a diminuição da área do loop. O DMA mostrou-se uma versátil ferramenta na análise de propriedades de misturas asfálticas.

6. Agradecimentos

Os autores agradecem ao Texas Transportation Institute/TAMU e a CAPES/Fulbright pelas bolsas de estudo.

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