UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
THIAGO OLIVEIRA DE MAGALHÃES
MISTURA SOLO-EMULSÃO PARA BASE DE PAVIMENTOS DE
BAIXO VOLUME DE TRÁFEGO EM SINOP-MT.
Sinop-MT
2019/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
THIAGO OLIVEIRA DE MAGALHÃES
MISTURA SOLO-EMULSÃO PARA BASE DE PAVIMENTOS DE
BAIXO VOLUME DE TRÁFEGO EM SINOP-MT.
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador: Dr. Flavio Alessandro Crispim.
Sinop-MT
2019/2
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Sugestões de Aplicação das Emulsões Asfálticas ... 22 Tabela 2 - Sugestões de Solos para a Mistura Solo-Emulsão ... 24 Tabela 3 - Granulometria dos solos de Sinop-MT ... 26
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 ... 27 Equação 2 ... 29 Equação 3 ... 29
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE ABREVIATURAS
CAP – Concreto Asfáltico de Petróleo EAP – Emulsão Asfáltica de Petróleo IP – Índice de Plasticidade
LL – Limite de Liquidez LP – Limite de Plasticidade
RCNC – Resistência à Compressão Não Confinada RT - Resistência à Tração por Compressão Diametral VBVT – Via de Baixo Volume de Tráfego
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Mistura Solo-Emulsão para Base de Pavimentos de Baixo Volume de Tráfego em Sinop-MT.
2. Tema: 30100003 – Engenharia Civil.
3. Delimitação do Tema: 30103053 – Pavimentos
4. Proponente: Thiago Oliveira de Magalhães. 5. Orientador: Flavio Alessandro Crispim.
6. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso –
UNEMAT, campus de Sinop – MT.
7. Público Alvo: Profissionais, acadêmicos e pesquisadores da área da engenharia civil.
8. Localização: Campus Sinop – Unidade Aquarela – Avenida Francisco de
Aquino Correa, s/n, Aquarela das Artes – Sinop – MT, CEP 78555-475. 9. Duração: 11 meses.
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE EQUAÇÕES ... II LISTA DE FIGURAS ... III LISTA DE ABREVIATURAS ... IV DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... V 1 INTRODUÇÃO ... 8 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 10 3 JUSTIFICATIVA... 11 4 OBJETIVOS ... 12 4.1 OBJETIVO GERAL ... 12 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 12 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 13
5.1 VIAS DE BAIXO VOLUME DE TRÁFEGO ... 13
5.2 ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS ... 14
5.2.1 Classificação dos Solos ... 14
5.2.2 Estabilização de Solos ... 14 5.2.2.1 Estabilização Mecânica ... 15 5.2.2.2 Estabilização Granulométrica ... 16 5.2.2.3 Estabilização Química ... 16 5.3 ESTABILIZAÇÃO BETUMINOSA ... 17 5.3.1 Emulsões Asfálticas ... 19 5.3.1.1 Processo de emulsificação ... 19 5.3.1.2 Emulsificante ... 20
5.3.1.3 Classificação das emulsões ... 20
5.3.2 Solo-Emulsão ... 22
6 METODOLOGIA ... 25
6.1 ESCOLHA DO SOLO ... 25
6.2 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO SOLO ... 26
6.2.1 Ensaios ... 26
6.2.1.1 Ensaio de Granulometria ... 27
6.2.1.2 Índices de Consistência ... 27
6.2.1.3 Compactação ... 27
6.2.1.4 Ensaio de MCT – Método das Pastilhas ... 28
6.3 MISTURA SOLO-EMULSÃO ... 28
6.3.1 Dosagem da mistura solo-emulsão ... 28
6.3.2 Cura ... 30
6.4 CARACTERIZAÇÃO DA MISTURA SOLO-EMULSÃO ... 31
6.4.1 Ensaios ... 31
6.4.1.1 Ensaio de Resistência à Tração por Compressão Diametral ... 31
6.4.1.2 Ensaio de Resistência à Compressão Não Confinada... 31
7 CRONOGRAMA ... 32
1 INTRODUÇÃO
Entre os modais de transporte operantes no Brasil, o modal rodoviário é o que tem maior representatividade no transporte de cargas e passageiros. Tal modalidade é responsável por mais de 60% do transporte de cargas e aproximadamente 90% dos deslocamentos de passageiros (CNT, 2018).
Apesar da importância do transporte rodoviário no Brasil, os relatórios da Confederação Nacional do Transporte (2018) indicam que apenas 12,4% da malha rodoviária possui pavimentação e, das vias pavimentadas, aproximadamente 62% apresentam algum tipo de problema, sendo classificadas como vias regulares, ruins ou péssimas. Essa realidade compromete o conforto, a segurança e ainda acarreta em maior tempo de deslocamento dos usuários.
A falta de revestimento, ou a utilização de revestimento primário como superfície de rolamento, têm impacto direto no desenvolvimento regional. Isso se deve às dificuldades de trafegabilidade. Ainda têm-se como desvantagem na falta de pavimentação, a emissão de particulados sob a ação do tráfego em períodos de seca, acarretando em prejuízo para a população (SANTANA, 2009).
Em Vias de Baixo Volume de Tráfego - VBVT, no entanto, a adoção pavimentação asfáltica pode não ser uma boa alternativa do ponto de vista econômico. A baixa capacidade de suporte do solo local, a escassez de materiais no entorno da obra, assim como a extração e transporte de materiais podem tornar a pavimentação inviável (PACHECO, 2011).
Afim de dar melhores condições de trafegabilidade e garantir menor custo, começaram a ser estudadas e difundidas tecnologias que empregam técnicas que viabilizem a pavimentação destas vias, entre elas, a estabilização de solos.
A estabilização de solos consiste em melhorar as propriedades do solo ao aplicar um fator estabilizante que altere suas propriedades, a fim de que atendam às exigências de projeto. As estabilizações podem ser classificadas em químicas ou mecânicas. Na estabilização química as modificações são provenientes da interação química entre as partículas do solo e um agente estabilizante, já na mecânica as modificações são de ordem física (GONDIM, 2008).
A estabilização betuminosa, portanto, se enquadra como uma estabilização química e, é uma técnica empregada desde meados de 1930. É bastante utilizada na
República Sul Africana, país que têm características dos solos semelhantes aos solos de algumas regiões brasileiras (GRECA ASFALTOS, 2014).
O solo estabilizado com emulsão asfáltica é o produto da mistura da emulsão com o solo (geralmente local), em equipamentos adequados, espalhado e compactado à frio. A estabilização com emulsão é considerada uma alternativa viável para a pavimentação em regiões com carência de agregados pétreos e alto custo de transporte de materiais (ABEDA, 2010).
Tendo em vista que a estabilização betuminosa de solos reduz a necessidade de extração e transporte de materiais provenientes de jazidas, é compreensível que haja uma redução dos custos provenientes do transporte e exploração destes materiais, além de menores impactos ambientais devidos à exploração das jazidas (GRECA ASFALTOS, 2014).
A mistura solo-emulsão é capaz de dar origem a bases e sub-bases de pavimentos com comportamento satisfatório. As ações decorrentes dos efeitos deletérios da água, assim como a deformabilidade, são reduzidas, garantindo melhor desempenho dos pavimentos ao longo da vida útil (GRECA ASFALTOS, 2014).
Logo, o presente estudo tem por finalidade avaliar o comportamento mecânico de um solo estabilizado com emulsão asfáltica de petróleo, visando o emprego deste em bases de pavimentos de vias com baixo volume de tráfego.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
Em vias de baixo volume de tráfego, a falta de revestimento e até mesmo a utilização de camadas de revestimento esbeltas, são as principais causas do surgimento de defeitos na pavimentação (SANTANA, 2009).
As vias sem pavimentação, são propícias à um ineficiente sistema de drenagem, emissão de particulados devido à ação do tráfego, formação de buracos e panelas, perda de agregados devido ao desprendimento de finos, entre outros problemas que tornam as camadas superficiais instáveis (SANTANA, 2009).
Em Sinop-MT, os problemas mais recorrentes a serem solucionados pela engenharia estão em torno da baixa capacidade resistente à ação da água, e ainda a baixa capacidade de suporte dos solos locais. Devido à esses fatores, geralmente, em obras de pavimentação, se faz necessária a substituição do solo natural por solos mais resistentes, os cascalhos lateríticos, provenientes de exploração de jazidas (DALLA ROZA, 2018).
A exploração de jazidas no entanto, acarreta em altos custos com o transporte dos materiais das jazidas até a obra, uma vez que as jazidas de pedreiras, materiais que apresentam comportamento superior aos solos locais, localizam-se a pelo menos 100 km da cidade. Logo, as grandes distâncias entre jazidas e obra podem ser responsáveis por inviabilizar a pavimentação de vias de baixo volume de tráfego (SANTANA, 2009).
3 JUSTIFICATIVA
O crescimento da frota de veículos nos últimos anos tem representado uma crescente demanda por novas vias. Essa demanda, por sua vez, fez com que fossem mais frequentes as pesquisas para o desenvolvimento de novos materiais para a pavimentação, a fim de garantir a execução de pavimentos de qualidade e com custos cada vez menores, sem deixar de garantir a durabilidade e o bom desempenho desses pavimentos (GRECA ASFALTOS, 2014).
A utilização de materiais betuminosos em pavimentação traz como principais benefícios à estrutura o aumento da durabilidade, impermeabilidade, capacidade de resistir à ações de ácidos e álcalis, e ainda proporciona maior coesão à estrutura (GONDIM, 2008).
A estabilização betuminosa com solo-emulsão, proporciona uma mistura com elevado grau de impermeabilização das camadas de base, resistência à fadiga e às trincas de origem térmica, custos reduzidos de execução e manutenção, além de permitir a conservação de energia, uma vez que não há necessidade de aquecimento dos materiais e, ainda permite a preservação dos recursos naturais ao utilizar os materiais locais, dispensando ou reduzindo a exploração de jazidas (ABEDA, 2010).
Por reduzir significativamente a necessidade de exploração, a técnica mostra-se eficaz para a construção de vias de baixo volume de tráfego, já que aproveita o próprio solo local para construção das camadas de base do pavimento, reduzindo assim, os custos e contribuindo para a preservação ambiental (SANTANA, 2009).
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo da pesquisa é avaliar o comportamento mecânico da mistura solo-emulsão, através das análises de resistência mecânica, durabilidade e deformabilidade para emprego em bases de pavimentos em vias de baixo volume de tráfego na região de Sinop, MT.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Caracterizar geotecnicamente o solo a ser estabilizado;
Determinar o teor ideal de emulsão na mistura com o solo selecionado;
Determinar a resistência à compressão não confinada – RCNC da mistura solo-emulsão;
Determinar a resistência à tração por compressão diametral – RT da mistura solo-emulsão.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 VIAS DE BAIXO VOLUME DE TRÁFEGO
O contraste de desenvolvimento econômico entre as regiões é decisivamente importante para delimitação da complexidade de definição dos limites para os variados níveis de tráfego (SANTANA, 2009).
Santana (2009) trata a definição acerca das vias de baixo volume de tráfego como uma tarefa difícil. As diversidades existentes entre os países, e até mesmo as particularidades de cada região de um país de dimensões continentais como o Brasil, tornam tal definição muito particular.
As VBVT podem ser definidas como as rotas de acesso à localidades em que se tenha baixo nível de desenvolvimento econômico. Também podem ser associadas aos acessos de regiões com baixo Índice de Desenvolvimento Humano (MOTA, 2009).
Ainda pode-se definir como uma VBT aquelas dimensionadas para uma previsão de tráfego em que o número de repetições de carga por eixo padrão de 82kN esteja entre 104 e 106 repetições. O número de repetições de carga previsto, deve
ocorrer dentro do período de projeto que, geralmente, é de 10 anos (BERNUCCI, 1995).
Existem diversas outras definições para vias de baixo volume de tráfego, no entanto, de forma geral, as concepções acerca dessas vias são consoantes no que diz respeito à sua importância regional, seja em zonas urbanas ou rurais.
De acordo com Muench et al (2005, p. 2 apud Mota, 2009), grande parte dos pavimentos do mundo podem ser considerados como de baixo volume de tráfego. Tais pavimentos são presentes em zonas rurais e em zonas urbanas residenciais, gerenciados por instituições com recursos limitados. A carência de recursos, por sua vez, traz a necessidade de pavimentos bem executados, que exijam técnicas eficientes de manutenção e o emprego do menor custo efetivo na construção.
Apesar da definição de VBVT ser relativa, problemas decorrentes da falta recursos para o adequado planejamento, projeto, construção, manutenção e gerência desse tipo de via são comuns por todo o mundo (MOTA, 2009).
A estrutura empregada na construção de tais vias deve proporcionar qualidade, segurança e bom desempenho em serviço com custos compatíveis. Além disso, a minimização dos custos com intervenções para conservação, exploração de jazidas
de materiais e a mitigação dos impactos ambientais são fatores importantes a serem levados em conta no projeto e execução de uma via de baixo volume de tráfego (SANTANA, 2009).
5.2 ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS
5.2.1 Classificação dos Solos
Os solos são compostos por seções praticamente paralelas, organizados em camadas entre as quais a composição do solo se distingue. As distinções entre as camadas podem ser devido às transformações de energia e matéria, perdas e adições que ocorrem ao longo do tempo. Tais transformações e alterações estão relacionadas a fatores climáticos, presença de organismos e até mesmo à influência do relevo da região (EMBRAPA, 2006).
Através da classificação, é possível determinar ou pelo menos estimar o possível comportamento do solo. A classificação do solo também pode ser importante para a definição do melhor método de análise geotécnica na determinação das propriedades do mesmo (PINTO, 2006).
Antes de dar-se início ao processo de estabilização de solos, é necessário conhecer as características do solo a ser estabilizado. A definição da granulometria, limites de consistência e resistência mecânica do solo natural são essenciais para a correta dosagem das misturas utilizadas na estabilização.
5.2.2 Estabilização de Solos
O solo é um dos elementos que requer maior atenção em obras de Engenharia. Conhecer o comportamento do solo sobre o qual se está construindo é fundamental para garantir a segurança e o bom desempenho da obra ao longo de sua vida útil (PINTO, 2006).
Para que se obtenha sucesso em obras de pavimentação, o conhecimento acerca das características do solo local é essencial, uma vez que, em muitos casos, eles não atendem às especificações e exigências de projeto, especialmente com relação à resistência mecânica (BRITO e PARANHO, 2017).
Medina e Mota (2004, apud JUNIOR, 2006), afirmam que quando o engenheiro se depara com solos que não garantam a estabilidade e segurança da obra, ele deve: evitar ou contornar o solo ruim; remover o solo ruim e substituí-lo por outro com qualidade aceitável; projetar de forma a garantir a segurança da estrutura mesmo na
situação de solo ruim, ou ainda, adotar técnicas que melhorem as características do solo local, ou seja, estabilizá-lo.
A última alternativa citada pelo autor, a estabilização de solos, se mostra bastante conveniente do ponto de vista econômico, uma vez que diminui a demanda por materiais mais nobres, garante economia no transporte e extração de materiais e ainda utiliza o próprio solo local como material principal.
A estabilização de solos pode ser definida como um processo de natureza física, química ou físico-química que altere as propriedades do solo a fim de que atendam as especificações de projeto e tem como principais resultados o aumento da resistência mecânica, tornando-o mais estável além da preservação da estabilidade mesmo diante da aplicação de cargas externas e ação de agentes climáticos (FERREIRA, 1980).
Para a engenharia, as principais melhorias nas propriedades do solo são esperadas em torno da redução da expansibilidade, resistência mecânica, aumento da impermeabilidade e a maior durabilidade. A estabilização, por sua vez, não deve ser tratada apenas como uma medida corretiva, mas primordialmente como uma medida preventiva contra as situações adversas que possam vir a desenvolver-se (GRECA ASFALTOS, 2014).
Nesta pesquisa, a estabilização de solos será dividida em três tipos, assim como propõe Junior (2006), em: estabilização mecânica, estabilização granulométrica e estabilização química.
5.2.2.1 Estabilização Mecânica
A estabilização mecânica pode ser definida como um procedimento em que se alteram as propriedades mecânicas do solo através do rearranjo das partículas. O principal método de estabilização mecânica se dá através da compactação. (GONDIM, 2008).
A compactação pode ser entendida como a densificação do solo através da aplicação de energia mecânica e sem perda de umidade. Os equipamentos utilizados na compactação são os rolos compactadores e outros elementos que garantam a aplicação da energia necessária para a densificação desejada do material, como os soquetes manuais (PINTO, 2006).
A estabilização mecânica pode ser responsável por diminuir a permeabilidade do solo, aumentar a resistência mecânica, garantir o aumento de rigidez, diminuir a
possibilidade de ocorrência de recalques e aumentar a densidade do material. A melhoria dessas propriedades, seja em conjunto ou de forma individual, é imprescindível para a garantia da qualidade e segurança da obra a ser executada sobre o solo estabilizado (PINTO, 2006).
5.2.2.2 Estabilização Granulométrica
A estabilização granulométrica, por sua vez, é efetivada a partir da mistura de dois ou mais solos que, ao serem combinados gerem uma composição densamente graduada com fração de finos limitada (JUNIOR, 2006).
Gondim (2008), diz que a estabilização granulométrica é efetivada quando ocorre a composição de solos ou solos e agregados de forma a resultar em uma mistura na qual a resistência mecânica seja garantida através do contato grão a grão. Na estabilização granulométrica, as partículas finas do solo tendem a preencher os espaços vazios entre as partículas maiores, gerando uma maior densificação, aumento de resistência e redução do índice de vazios. (GONDIM, 2008). Um solo é dito como estabilizado granulometricamente quando a sua curva granulométrica se assemelhar à curva correspondente aos solos bem graduados (WALLAU, 2004).
5.2.2.3 Estabilização Química
O processo de estabilização química é caracterizado pela adição de agentes estabilizantes, os quais reagem com as partículas de solo alterando suas propriedades físicas, mecânicas e hidráulicas. Na estabilização química podem ser utilizados diversos tipos de aditivos que gerem reações químicas com o solo. As partículas do solo são aglutinadas pelos aditivos que podem ser: o cimento, cal, produtos betuminosos, entre outros (GONDIM, 2008).
A estabilização química ainda pode ser compreendida, de acordo com França (2003), como o processo que resulta em alterações produzidas por introdução de aditivos que sejam suficientes para alterar de forma positiva as propriedades físicas e mecânicas do solo, tornando-o aplicável em projetos rodoviários.
Ferreira (1980) defende que a estabilização química de solos é o processo no qual são produzidos produtos cimentantes, oriundos das reações químicas entre os minerais do solo e o material estabilizante, possibilitando a elaboração de um material cuja rigidez é superior à rigidez do solo natural.
Das técnicas de estabilização química, a estabilização betuminosa é uma técnica reconhecida mundialmente pela sua eficácia em obras que exigem o melhoramento do solo (GONDIM, 2008).
Neste estudo serão abordadas as definições e peculiaridades da estabilização betuminosa, já que ela é o objeto de estudo da presente pesquisa.
5.3 ESTABILIZAÇÃO BETUMINOSA
Ferreira (1980) diz que a estabilização betuminosa começou a ser utilizada quando os engenheiros que trabalhavam próximo dos campos petrolíferos notaram que o espalhamento de óleo cru sobre as estradas de terra reduzia e emissão de pó frente à ação do tráfego, tornando as estradas mais aptas a receber as solicitações do tráfego e ao imtemperismo.
No Brasil, o emprego da estabilização betuminosa de solos começou a ser difundido por volta de 1966 (GONDIM, 2008).
Os materiais betuminosos podem ser incorporados aos solos em duas situações principais, em uma o material betuminoso é misturado a solos finos com o intuito de fornecer menor permeabilidade, minimizando os efeitos da água sobre a estrutura; na segunda situação, o material betuminoso é adicionado a solos naturais ou em solos estabilizados, com o intuito de fornecer maior coesão a mistura, principalmente em solos arenosos (FERREIRA, 1980).
Moreira (2010), define como estabilização betuminosa o processo de adição de material asfáltico ao solo ou mistura de solos, e a aplicação da adequada energia de compactação à mistura, conferindo a esta a devida resistência requerida para as solicitações de tráfego.
O material asfáltico tem a função de agente coesivo e impermeabilizante. A estabilização betuminosa tende a melhorar as características de um solo através de melhorias na coesão, impermeabilidade e o atrito entre os grãos (MOREIRA, 2010).
De acordo com Moreira (2010), devem ser analisadas algumas condições para a aplicação de estabilização betuminosa. Solos que contenham as características descritas a seguir, são ditos como desejáveis para a aplicação de estabilização betuminosa, são elas:
Região com predominância de materiais argilosos que, mesmo sendo submetido a correções com outros materiais locais, não se enquadram nos parâmetros para estabilizações puramente mecânicas;
Quando o solo local é altamante arenoso e não possui coesão;
Quando só se tem as misturas com os solos anteriormente citados ou quando se tem materiais altamente expansivos.
Moreira (2010), ainda cita alguns parâmetros importantes para a determinação da aplicabilidade de estabilização betuminosa, seguem:
Rodovia que possui baixo volume de tráfego; Região com baixo índice pluviométrico; Região com topografia pouco acidentada; Materiais locais de boa qualidade.
Ainda vale ressaltar que para a obtenção da economia esperada em estabilizações betuminosas, o teor de emulsão deve limitar-se ao nível de exequibilidade da obra, logo, solos que exijam grandes quantidades de emulsão asfáltica devem ser descartados levando-se em consideração as restrições orçamentárias (SANTANA, 2009).
É importante salientar que, mesmo tendo feito todas as análises anteriormente descritas, é de fundamental importância haver a comparação com outras alternativas técnicas, visando o menor custo com a maior viabilidade e qualidade técnica possível (MOREIRA, 2010).
A estabilização betuminosa não se mostra eficiente quando a fração de finos no solo é elevada. Frações de até 35% passantes na peneira de abertura 0,075 mm e materiais com Índice de Plasticidade – IP menor que 18, são desejáveis para a garantia da eficiência da técnica (SANTANA, 2009).
Entre os principais ligantes empregados no processo de estabilização betuminosa estão as emulsões asfálticas e os cimentos asfálticos. As emulsões asfálticas, contudo, se mostram mais viáveis para este tipo de serviço, uma vez que os cimentos asfálticos demandam uma unidade de aquecimento, o que é totalmente dispensável para as emulsões (SANTANA, 2009).
5.3.1 Emulsões Asfálticas
Uma Emulsão Asfáltica de Petróleo – EAP, pode ser descrita como uma dispersão de dois ou mais líquidos imiscíveis, estável, na qual os líquidos são basicamente o asfalto de petróleo e a água. (BERNUCCI, MOTTA, et al., 2010).
Um dos primeiros registros da produção e utilização desse tipo de material betuminoso data de 1951, quando a Esso, na França, colocou à disposição do mercado as emulsões asfálticas catiônicas (ABEDA, 2010).
A composição das emulsões asfálticas é variável, no entanto alguns valores são recorrentes e mais usuais para a produção do material. O teor de água, geralmente, está entre 30% e 50%, enquanto o teor de Cimento Asfáltico de Petróleo – CAP fica entre 50% e 70%, além da adição de agentes emulsificantes, os quais são aplicados na faixa entre 0,1% e 2,5% (ABEDA, 2010).
As emulsões podem ser do tipo catiônica, quando o agente emulsificante é um sal de amina, ou ainda do tipo aniônica, quando o agente emulsificante é um sabão com um ânion orgânico ligado a um álcali (JUNIOR, 2006).
As EAP classificadas como catiônicas, possuem carga de partícula positiva, enquanto as emulsões com carga de partícula negativa são classificadas como aniônicas (BERNUCCI, MOTTA, et al., 2010).
As EAP utilizadas para a pavimentação no Brasil, são do tipo catiônicas, devido ao melhor desempenho em relação a compatibilidade com os agregados minerais usados em obras rodoviárias (ABEDA, 2010).
As principais vantagens da utilização das emulsões catiônicas são a possibilidade da utilização de agregados úmidos; possibilitam economia de energia, uma vez que não necessitam de aquecimento; evitam os riscos de explosões e incêndios já que não são utilizados solventes de petróleo; permitem a estocagem à temperatura ambiente, e não requerem fontes de aquecimento e não geram vapores tóxicos, mitigando os impactos ambientais (ABEDA, 2010).
5.3.1.1 Processo de emulsificação
O processo de fabricação das emulsões, consiste na fragmentação do CAP em pequenas partículas, de ordem micrométrica, que devem permanecer suspensas em água por certo período (GONDIM, 2008).
No processo de emulsificação, a quebra do CAP ocorre a partir da aplicação das energias mecânica e térmica. As energias são aplicadas através do moinho coloidal, resultando na emulsão asfáltica em água (ABEDA, 2010).
A viscosidade do CAP que adentra o moinho não deve exceder a 2 Poise, logo, para que tal viscosidade seja atendida, a temperatura do asfalto deve estar entre 100 e 145 ºC, já a temperatura da fase aquosa deve situar-se entre 50 e 60 ºC, resultando em uma emulsão com temperatura não superior a 90 ºC (SANTANA, 2009).
A energia térmica, aplicada na quebra do CAP, é responsável por conferir a viscosidade necessária para que possa ser aplicada a energia mecânica produzida pelo moinho coloidal, que por sua vez, é responsável pela trituração do concreto asfáltico de petróleo até que atinja as dimensões convenientes (SANTANA, 2009).
As partículas provenientes da quebra do CAP devem ter tamanhos da ordem de 2x10-3 a 5x10-3 mm de diâmetro e devem ser envolvidas pelo agente emulsificante
a fim de que não ocorra a união destas partículas dispersas em água (SANTANA, 2009).
5.3.1.2 Emulsificante
O emulsificante é uma substância capaz de diminuir a tensão entre as fases aquosa e asfáltica. As moléculas do emulsificante são formadas por uma parte polar e outra apolar (SANTANA, 2009).
Os emulsificantes servem de base para a classificação das emulsões quanto à carga da partícula. Apesar de serem responsáveis por conferir as cargas positivas ou negativas, alguns emulsificantes não conferem ionicidade aos glóbulos de asfalto (ABEDA, 2010).
O agente emulsificante é o responsável por retardar a separação de fases da mistura entre o CAP e a água, o que garante a estabilidade da mistura por um certo período de tempo (GONDIM, 2008).
5.3.1.3 Classificação das emulsões
As emulsões asfálticas de petróleo podem ser classificadas de acordo com a velocidade com que rompem e ainda de acordo com a carga elétrica que possuem (JUNIOR, 2006).
De acordo com a velocidade de ruptura as emulsões podem ser classificadas em: Emulsão de Ruptura Rápida – RR; Ruptura Média – RM e Emulsão de Ruptura Lenta – RL (JUNIOR, 2006).
Já quanto às cargas elétricas, elas podem ser classificadas como: não-iônicas, quando os glóbulos de asfalto são neutros; aniônicas, quando os glóbulos de asfalto são carregados eletro-negativamente e catiônicas, quando os glóbulos de asfalto são carregados eletro-positivamente. (JUNIOR, 2006).
Abeda (2010) traz sugestões quanto ao tipo de emulsão asfáltica a ser empregada para cada variação de serviço a ser executado, e NBR 14594 (ABNT, 2017) classifica as emulsões asfálticas em:
RR-1C – Emulsão asfáltica catiônica de ruptura rápida, com teor de resíduo asfáltico de pelo menos 62% e de baixa viscosidade;
RR-2C – Emulsão asfáltica catiônica de ruptura rápida, com teor de resíduo asfáltico superior a 67% e de alta viscosidade;
RM-1C – Emulsão asfáltica catiônica de ruptura média, com teor de resíduo asfáltico de no mínimo 62% e viscosidade Saybolt Furol a 50 ºC entre 20 e 200 segundos;
RM-2C – Emulsão asfáltica catiônica de ruptura média, com teor de resíduo asfáltico acima de 65% e viscosidade Saybolt Furol a 50 ºC entre 100 e 400 segundos;
RL-1C - Emulsão asfáltica catiônica de ruptura lenta, com teor de resíduo asfáltico de pelo menos 60% e não possui solvente em sua constituição; LA-1C – Emulsão asfáltica catiônica para lama asfáltica, com teor mínimo de
resíduo asfáltico de 60% e teor máximo de 2% no ensaio da mistura com cimento;
LAN – Emulsão asfáltica catiônica para lama asfáltica, com teor mínimo de resíduo asfáltico de 60% e não exige o ensaio da mistura com cimento;
EA I – Emulsão asfáltica para imprimação, com teor de resíduo asfáltico de no mínimo 45% e no máximo 15% de solvente em sua composição.
Abeda (2010) sugere o emprego das emulsões descritas anteriormente a fim de se obter um maior eficiência no emprego do material betuminoso. A Tabela 1
mostra as recomendações para aplicação das emulsões tratadas por Abeda (2010) como convencionais.
Tabela 1 - Sugestões de Aplicação das Emulsões Asfálticas
Aplicação
Tipo de Emulsão
Ruptura Rápida Ruptura Média Ruptura Lenta RR-1C RR-2C RM-1C RM-2C RL-1C LA-1C LAN EA I Imprimação X Pintura de Ligação X TSS X TSD X TST X Macadame Betuminoso X PMF Aberto X X PMF Denso X
Areia Asfalto à Frio X X X
Solo-Emulsão X
Lama Asfáltica X X
Fonte: Adaptado de Abeda (2010)
Tendo em vista que o objeto desse estudo é a estabilização solo-emulsão e seguindo as recomendações de Abeda (2010), a emulsão a ser utilizada no processo de estabilização deve ser a emulsão catiônica de Ruptura Lenta RL-1C.
5.3.2 Solo-Emulsão
A mistura solo-emulsão pode ser definida como uma mistura de um determinado solo com emulsão asfáltica de petróleo, a mistura resultante é espalhada e compactada a frio. Na estabilização de solos com emulsão, a água é considerada um material constituinte da mistura (ABEDA, 2010).
A estabilização solo-emulsão pode ser dita como uma alternativa técnica de baixo custo, uma vez que garante a preservação de energia, do meio ambiente e recursos naturais. O aproveitamento dos materiais locais e a execução a frio de base de pavimentos, garante maior viabilidade da técnica ao aplicá-la em vias de baixo volume de tráfego (ABEDA, 2010).
A combinação solo-emulsão se mostra uma opção eficiente para a melhoria da trafegabilidade em regiões onde há carência de agregados pétreos e elevado custo de transporte e extração de materiais (SANTOS, 2009).
O teor de material betuminoso é estritamente importante para a viabilidade da técnica. Teores de emulsão asfáltica muitos altos podem criar um espaçamento excessivo entre as partículas do solo, diminuindo o atrito entre os grãos e provocando a perda de resistência. Já teores de emulsão muito baixos podem não ser suficientes para garantir a impermeabilização e coesão da mistura (SANTANA, 2009).
A mistura não é aconselhada para solos com alto Índice de Plasticidade, devido à dificuldade de romper os grumos de argila e atingir uma mistura homogênea, geralmente, solos com IP>18% não apresentam resultados satisfatórios ao serem misturados às emulsões asfálticas (SANTANA, 2009).
Experiências realizadas com solos brasileiros, utilizando como parâmetro o ensaios de Resistência à Compressão Simples, indicaram que solos arenosos apresentam-se estabilizados com baixos teores de EAP, enquanto solos finos necessitam de teores mais altos (JUNIOR, 2006).
Solos com predominância plástica, ou seja, solos finos, exigem a aplicação de teores de emulsão próximos a 8% para atingirem a melhora esperada, já em solos granulares, o teor de emulsão geralmente fica em torno de 2 a 4% (JUNIOR, 2006).
Para que se defina um teor ótimo de emulsão, se faz necessário a realização de misturas com diferentes teores de emulsão, realizando ensaios para a verificação das variações em relação aos parâmetros para os quais estão sendo feitas as dosagens (JUNIOR, 2006). Em geral, as melhorias são esperadas em relação à resistência mecânica, durabilidade e deformabilidade, além de melhorias em relação à impermeabilidade da mistura.
A Tabela 2, a seguir, traz algumas considerações tidas como relevantes por Santana (2009) quanto ao tipo de solo a ser empregado para estabilização com emulsão asfáltica de Petróleo. Nela estão apresentados as propriedades tidas como desejáveis em um solo para estabilização betuminosa com EAP.
Vale ressaltar que os parâmetros citados por Santana (2009) são desejáveis, ou seja, podem haver situações de solos que não se enquadrem nos parâmetros da Tabela 2 e tenham um resultado satisfatório para a mistura solo-emulsão.
Tabela 2 - Sugestões de Solos para a Mistura Solo-Emulsão
Ensaio Parâmetros
Preferenciais Observações
% <0,075 mm ≤30%
O excesso de finos compromete a trabalhabilidade, a homogeneização da
emulsão e demanda maior quantidade de emulsão
Limite de Liquidez (LL) ≤40% aditivo corretivo em fase anterior à Para solos finos pode ser aplicado aplicação da emulsão Índice de Plasticidade (IP) ≤15%
Classificação MCT LA; LA'; NA; NA'
Solos NG', LG' e NS', merecem maior atenção quanto a homogeneização e
trabalhabilidade
CBR (Proctor Intermediário)
≥20% VDM<200 veículos (até 20 veículos comerciais)
≥40% VDM<200 veículos (até 60 veículos comerciais)
Fonte: Adaptado de Santana (2009)
Pacheco (2011) conseguiu resultados satisfatórios na estabilização com emulsão asfáltica, para o estudo, o autor utilizou dois solos: um com predominância de argila e outro com porção maior de material granular. O solo mais fino, classificado pela metodologia da AASHTO como A-4, apresentou um acréscimo de RT de 442,9% e para RCNC o acréscimo foi da ordem de 16,2%; já o solo com predominância de material granular cuja classificação AASHTO é A-1-b, apresentou melhorias significativas na RCNC, chegando a um aumento de 30%, sendo os teores de emulsão de projeto de 3,54% para o solo fino e 2,84% para o solo granular.
Para um solo com 44% de material passante na peneira de abertura 0,075 mm e classificado como um solo LA’ pelo ensaio MCT, Gondim (2008) ao adicionar 2% de emulsão asfáltica atingiu uma RCNC cerca de 60% maior que a obtida para o solo natural, aos sete dias de cura.
Gondim (2008) ressalta, através de seus resultados, a influência do período de cura nas resistências. Um solo com 2% de emulsão submetido ao ensaio de RCNC aos 7 dias, apresentou resistência cerca de 42 vezes maior que o corpo de prova submetido ao ensaio logo após a compactação. Para o período de cura de 28 dias, essa diferença foi ainda mais significativa, pois um solo adicionado de 5% de emulsão apresentou RCNC cerca de 66 vezes maior que o solo submetido ao ensaio logo após a compactação.
6 METODOLOGIA
O método empregado para a dosagem solo-emulsão seguirá a ordem a seguir: primeiramente será realizada a coleta dos solo; posteriormente a caracterização geotécnica do solo e seus respectivos ensaios; ensaios de resistência do solo natural e, em seguida, a dosagem da mistura solo-emulsão e seus respectivos ensaios de caracterização e de resistência. Ao final, será produzida uma análise comparativa entre as situações de solo natural e solo estabilizado, além da análise da influência dos diferentes teores de emulsão na mistura.
O fluxograma a seguir, sintetiza a metodologia aplicada a este estudo.
6.1 ESCOLHA DO SOLO
Dalla Roza (2018), faz a caracterização de solos de vários locais da cidade de Sinop-MT, logo, com base nesses dados, será utilizado para a estabilização o solo que mais se aproximar das recomendações de Santana (2009).
A Tabela 3 traz a caracterização granulométrica e MCT dos solos de 7 pontos distintos da cidade, os valores mostrados, consideram a adição de defloculante para a classificação por granulometria.
Figura 1 - Estrutura da Metodologia Fonte: O autor (2019)
Caracterização da Mistura Solo-Emulsão
Ensaio de RCNC Ensaio de RT
Mistura Solo-Emulsão Definição dos Teores de Emulsão Caracterização Geotécnica do Solo Ensaio de Granulometria Índices de Consistência Ensaio de Compactação Ensaio MCT - Método das Pastilhas Amostras de Solo
Tabela 3 – Classificação dos solos de Sinop-MT
Solo Ped (%) Areia (%) Silte (%) Argila (%)
Classificação MCT Supermassa 0 50 19 31 LG’ Villa Verde 4 50 12 33 NG’ Terra Rica 0 41 12 47 LG’ Curitiba 1 29 7 63 LG’
Aquarela das Artes 1 67 16 16 LG’
Panambi 1 24 24 51 LG’
Belvedere 0 35 20 45 LG’
Fonte: Adaptado de Dalla Roza (2018)
Logo, ao comparar as faixas granulométricas e a classificação MCT apresentadas por Dalla Roza (2018) com as recomendações de Santana (2009) expressas na Tabela 2, o solo escolhido para o estudo será o do bairro Aquarela das Artes, visto que a fração de finos deste é a mais próxima das recomendações de Santana (2009), no entanto por conta da classificação MCT como um solo LG’, este merece maior atenção e cuidados quanto à homogeneização e trabalhabilidade da mistura.
6.2 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO SOLO
A caracterização geotécnica do solo é essencial para a correta dosagem da mistura solo-emulsão. Santana (2009) propõe que a dosagem da mistura seja realizada de acordo com a granulometria do solo o que influencia diretamente na sua superfície específica.
Para que se tenha o real conhecimento das propriedades do solo a ser estabilizado se faz necessária a realização de alguns ensaios de caracterização. Os ensaios mencionados a seguir servirão de base para a dosagem da quantidade de material betuminoso a ser adicionado no solo a fim de estabilizá-lo.
6.2.1 Ensaios
Preparação das Amostras para a Caracterização
Antes da realização de qualquer ensaio, é indispensável que se tenha o controle das condições das amostras, para que estas representem com o maior grau de fidelidade possível a situação de campo. Dirksen (2018) afirma que a
caracterização dos solos está diretamente ligada à qualidade de preparação das amostras.
Tendo em vista a necessidade de garantir a boa qualidade dos ensaios de caracterização, os procedimentos de preparação das amostras de solos foram padronizados e serão realizados de acordo com as recomendações da NBR 6457 (ABNT,2016).
6.2.1.1 Ensaio de Granulometria
O ensaio de granulometria será realizado para definir as faixas granulométricas do solo e a obtenção da curva granulométrica deste.
O ensaio será realizado de acordo com as recomendações da NBR 7181 (ABNT, 2018), que estipula os métodos e atividades a serem executadas para a caracterização granulométrica do solo.
6.2.1.2 Índices de Consistência
Após a definição das faixas granulométricas, serão realizados os ensaios para a determinação dos índices de consistência, de acordo com as recomendações da NBR 6459 (ABNT,2017) para o limite de liquidez – LL, e NBR 7180 (ABNT, 2016) para a determinação do limite de plasticidade – LP.
O Índice de plasticidade, por sua vez, é determinado por:
Equação 1
LP LL
IP
Os índices de consistência são importantes para a definição do grau de ligação das partículas e, para o caso de estabilização betuminosa com solo emulsão, são importantes tanto para a dosagem da mistura quanto para a determinação da viabilidade ou não do emprego da técnica (GONDIM, 2008).
6.2.1.3 Compactação
Os ensaios de compactação serão realizados de acordo com as determinações da NBR 7182 (ABNT, 2016) e não haverá reutilização das amostras de solo.
Os ensaios de compactação serão realizados com a energia de Proctor Intermediária, pois segundo Santana (2009), esta energia de compactação é a mais
adequada para a análise das propriedades dos materiais nas camadas superficiais do pavimento.
6.2.1.4 Ensaio de MCT – Método das Pastilhas
O ensaio de MCT pelo método das pastilhas será realizado de acordo com as especificações e métodos normatizados pelo DNER-ME 258 (DNER, 1994).
6.3 MISTURA SOLO-EMULSÃO
Após definidas as características do solo natural, serão definidos os parâmetros para a dosagem da mistura solo-emulsão e posteriormente realizados os ensaios de caracterização da mistura.
6.3.1 Dosagem da mistura solo-emulsão
Até os dias atuais não há um método consagrado para a dosagem de misturas solo-emulsão. Isso acontece em decorrência das diversas variações a serem consideradas no processo de dosagem da mistura que vão desde a grande variação das propriedades dos solos, até mesmo à variação dos tipos de emulsões, as quais se distinguem quanto aos procedimentos de fabricação, o que pode influenciar nas propriedades da mistura (SANTANA, 2009)
Santana (2009) deduz que devido às propriedades impermeabilizantes do asfalto residual, quanto maior sua proporção, menor serão os efeitos deletérios da água incidentes na estrutura do pavimento.
O sistema estabilizado deve considerar o acréscimo de ligante betuminoso ao solo em estado úmido, atentando-se para que este permaneça próximo da umidade ótima para a massa específica aparente seca máxima. O ligante deve se manter estável durante o processo de mistura, para que se garanta a boa homogeneização (FERREIRA, 1980).
A dosagem da mistura será realizada de acordo com as recomendações de Santana (2009), seguindo o procedimento descrito nos próximos itens.
6.3.1.1 Definição do teor de Emulsão Asfáltica
O teor de emulsão asfáltica a ser adicionado no solo, será definido de acordo com a metodologia aplicada por Santana (2009).
O primeiro passa é determinar a superfície específica do agregado em função da granulometria do mesmo, a expressão utilizada pata tal, é apresentada na Equação 2: Equação 2 F S S S P P P P 0,14. 0,33. 0,81. 2,7. 9,15. 21,9. 135. . 07 , 0 . 100
4 3 2 1 3 2 1 Onde: Σ - superfície específica (m²/kg);P4 - fração entre as peneiras 50 – 25 mm;
P3 - fração entre as peneiras 25 – 12,5 mm;
P2 - fração entre as peneiras 12,5 – 4,76 mm;
P1 - fração entre as peneiras 4,76 – 2,00 mm;
S3 - fração entre as peneiras 2,00 – 0,42 mm;
S2 - fração entre as peneiras 0,42 – 0,177 mm;
S1 - fração entre as peneiras 0,177 – 0,075 mm;
F - fração passante na peneira 0,075 mm
Em seguida, define-se a quantidade básica inicial de emulsão asfáltica através da Equação 3: Equação 3 2 , 0 ) .(
K P Onde:P - porcentagem de asfalto residual, em relação ao peso dos agregados; Σ - superfície específica do agregado (m²/kg);
k - módulo de riqueza, adotado como 1,5
De acordo com Santana (2009), as quantidades de água e emulsão são definidas em função da quantidade básica de emulsão definida na Equação 3 e do teor de umidade ótimo do solo natural.
Tendo definidos tais parâmetros, será realizado o cálculo da quantidade de fluido, buscando ficar 2 pontos acima do teor de umidade ótimo, no teor ótimo e 2 pontos abaixo do teor de umidade ótimo.
No teor de umidade ótimo: será moldado um corpo de prova para o teor de emulsão calculado.
No teor de umidade ótimo +2%: será moldado um corpo de prova para o teor ótimo de emulsão calculado.
No teor de umidade ótimo -2%: se repete o mesmo procedimento dos anteriores.
Após a definição dos teores de água e emulsão, as amostras deverão ser misturadas de acordo com o seguinte procedimento:
Secagem do material ao ar;
Pesagem da quantidade de solos a ser misturada com emulsão;
Acréscimo de água, considerando o teor de fluido pré-determinado no item 2, realizando-o em 2 ou 3 etapas com tempo de mistura de cada etapa entre 2 e 3 minutos;
Deixar ao ar, no interior do laboratório por uma hora; Homogeneizar por 1 minuto e iniciar a compactação.
Serão confeccionados corpos de prova suficientes para a realização dos ensaios de RCNC (na energia intermediária; 3 camadas); Resistência à Tração por Compressão Diametral (cilindro Marshall; 50 golpes) e (na energia intermediária; 3 camadas). Os corpos de prova ficarão submersos por 1 hora em água para RT e 2 horas de imersão para RCNC.
A escolha dos teores mais eficientes de emulsão asfáltica será baseada, de maneira inicial, no descarte dos teores que não foram capazes de resistir a imersão em água, seja para o ensaio de RT, seja para o ensaio de RCNC.
Após a moldagem, os corpos de prova serão submetidos ao período de cura, e posteriormente aos ensaios de caracterização da mistura.
6.3.2 Cura
Os corpos de prova serão submetidos à cura durante os períodos de 0, 7 e 28 dias. As amostras serão secas ao ar livre e submetidas à imersão em água a fim de que já se descarte as amostras com teores de emulsão que não sejam suficientes para a garantia da estabilidade da mistura.
6.4 CARACTERIZAÇÃO DA MISTURA SOLO-EMULSÃO
Após passado o período de cura, serão realizados os ensaios de caracterização da mistura, a fim de realizar um comparativo com as propriedades do solo natural.
Será definida como a mistura mais eficiente a que proporcionar maior resistência aos ensaios de RCNC e RT.
6.4.1 Ensaios
6.4.1.1 Ensaio de Resistência à Tração por Compressão Diametral
O ensaio será realizado de acordo com a metodologia normatizada pelo DNER-ME 138 (DNER, 2009); também será realizado através da energia intermediária (3 camadas).
Nessa etapa, o ensaio de compactação pela energia intermediária será realizado a fim de se obter um comparativo entre os métodos de compactação, e a definição de qual deles se mostra mais eficiente para o solo estudado, no entanto, para a energia intermediária, só serão analisados os corpos de prova no teor de umidade ótimo.
6.4.1.2 Ensaio de Resistência à Compressão Não Confinada
O ensaio de resistência à compressão não confinada visa determinar a resistência do solo a compressão não confinada mediante a aplicação de uma força axial, com controle de deformação de acordo com a metodologia descrita na NBR 12770 (ABNT, 1992).
7 CRONOGRAMA
2020
JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV Revisão bibliográfica
complementar Coletas das amostras de solo
Ensaios de
caracterização dos solos
Realização dos ensaios para a mistura solo-emulsão
Análise dos resultados Redação do artigo científico
Apresentação do artigo em banca
8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
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