CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE MISTURAS ASFÁLTICAS CONTÍNUAS E DESCONTÍNUAS COM DIFERENTES LIGANTES ASFÁLTICOS
Kamilla L. Vasconcelos1 Liedi Légi Bariani Bernucci1
Edson de Moura1 Kendi Sanbonsuge1 1
Laboratório de Tecnologia de Pavimentação
Departamento de Engenharia de Transportes – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
José Mario Chaves2 2
OHL Brasil
RESUMO
As misturas asfálticas densas e contínuas são amplamente utilizadas como camada de revestimento nas vias urbanas e rodovias basileiras. Com o incremento do volume de tráfego e na configuração do mesmo nos últimos anos, principalmente nas rodovias sob concessão, vem-se aumentando o uso de misturas asfálticas com diferentes granulometrias, bem como a incorporação de ligantes asfálticos modificados. Esse incremento traz a necessidade de um melhor conhecimento da viabilidade técnica dessas diferentes misturas. Dentro dessa perspectiva, o presente trabalho consta da avaliação em laboratório do comportamento mecânico de misturas asfálticas do tipo: Concreto Asfáltico (CA), Stone Matrix Asphalt (SMA) e Gap Graded (GAP), todas com utilização de ligante convencional e ligante asfáltico modificado (por SBS, borracha e RET). As misturas asfálticas foram projetadas seguindo o método Marshall de dosagem (com algumas adaptações) e foram caracterizadas mecnicamente pelos ensaios de resistência à tração por compressão diametral (RT) e módulo de resiliência (MR), ambos realizados a uma temperatura de 25°C. Dos resultados obtidos, observou-se que a granulometria foi o fator preponderante nas duas propriedades mecânicas estudadas. As misturas preparadas atendendo as especificações de mistura densa e granulometria contínua apresentaram maior rigidez. O resultado de resistência à tração por compressão diametral seguiu a mesma hierarquização do resultado de módulo de resiliência.
Palavras-chave: caracterização mecânica, concreto asfáltico, SMA, Gap Graded
1. INTRODUÇÃO
Os pavimentos asfálticos são os mais utilizados no Brasil, seja para situações de tráfego leve, seja para rodovias de tráfego lento e pesado. Diferentes são as soluções existentes em termos de tipos de misturas asfálticas que podem ser empregadas, sendo geralmente variada a granulometria e o tipo de ligante asfáltico utilizados. O desempenho das misturas asfálticas a quente é significativamente influenciado por propriedades da combinação de agregados. Dentre essas propriedades, as que mais influenciam são reconhecidamente: granulometria, forma (angularidade), textura (rugosidade) e resistência dos agregados. Segundo Vavrik et al. (2001), na dosagem de uma mistura asfáltica para determinado esforço de compactação, três parâmetros associados aos agregados controlam os vazios no agregado mineral (VAM): granulometria, textura superficial e forma. Mudanças na granulometria de uma mistura provocam mudanças diretas no espaço existente no esqueleto mineral. Uma distribuição granulométrica adequada ao tipo de mistura asfáltica que se quer produzir é um dos pontos chaves para a elaboração de uma mistura de bom desempenho a curto, médio e longo prazo. No Brasil, é comum a utilização de misturas asfálticas a quente densas e contínuas, porém em países desenvolvidos, como os Estados Unidos e vários países da Europa, utilizam-se de forma corrente misturas abertas e/ou descontínuas.
O SMA foi concebido na Alemanha no final da década de 60, a fim de se obter uma mistura que fosse mais resistente à deformação permanente, além de apresentar bom comportamento funcional relativo à qualidade de rolamento, durabilidade, aumento da aderência pneu/pavimento, redução da reflexão de luzes em pista molhada e de ruído (Reis, 2002; Mourão, 2003). A maior diferença do SMA com relação às misturas densas convencionais é a descontinuidade em sua distribuição granulométrica. Existe normalmente a necessidade de utilização de fibras, que podem ser de celulose (orgânica), vidro (inorgânica), ou material mineral. As fibras atuam de forma a evitar a segregação da mistura e escorrimento do ligante, quando essas são impostas às elevadas temperaturas de usinagem e compactação, além de possibilitar que a mistura seja submetida a baixas temperaturas sem sofrer degradação (Lanchas, 1999). Granulometrias do tipo Gap Graded são semelhantes às SMA e podem também ser conhecidas como granulometrias semi-descontínuas, sendo um dos diferenciais o volume de vazios de projeto (o Gap Graded geralmente apresenta volume de vazios de 5%, enquanto o SMA é projetado para 4%). O SMA emprega asfalto modificado por polímero ou asfalto convencional, sendo que para tráfego pesado recomenda-se o uso de modificado. O Gap Graded tem sido muito utilizado em conjunto com o ligante asfalto borracha. Essa combinação vem apresentando bons resultados de comportamento mecânico em laboratório (Kaloush et al., 2003; Palit et al., 2004) e de desempenho em campo (Harvey e Popescu, 2000; Raad et al., 2001).
A camada porosa de atrito é caracterizada por um elevado volume de vazios, sendo considerado um dispositivo eficiente para a drenagem superficial do pavimento, levando a melhoria da aderência pneu-pavimento em condições de pista molhada. Várias agências rodoviárias nos Estados Unidos recomendam o uso desse tipo de revestimento por razões de segurança (Huber, 2000), enquanto diversos países europeus as usam como pavimentos silenciosos (Focus, 2005), uma vez que a textura superficial conjugada com os vazios de ar interligados dessas misturas constitui o revestimento asfáltico que mais atenua o ruído causado pela passagem dos veículos (Bullas, 2004; Feighan, 2006).
O uso de ligante asfáltico convencional mais consistente ou mesmo modificado por polímero ou por borracha de pneu vem aumentando devido ao excesso de carga dos veículos. O modificador ideal deve melhorar a resistência do ligante a um ou mais tipos de defeitos, porém é necessário inicialmente verificar se existe compatibilidade entre o ligante asfáltico e o modificador. Yildirim (2007) apresenta de forma resumida características de alguns modificadores de ligantes asfálticos comumente utilizados:
• Borracha natural: melhora a resistência à deformação permanente e a ductilidade, mas é sensível à decomposição e frequentemente apresenta problemas de compatibilidade. O uso de borracha de pneu como modificador de asfalto é uma solução ambientalmente correta, mas que requer temperaturas mais elevadas de mistura e tempos mais longos de digestão, a fim de prevenir a separação de fases (borracha – ligante asfáltico);
• SBR: melhora a ductilidade a baixas temperaturas, aumenta a viscosidade, melhora a recuperação elástica e as propriedades de coesão e adesão;
• SBS: vem substituindo o SBR, devido sua melhor compatibilidade com os ligantes e melhor resistência à tração. Este é atualmente o polímero mais largamente utilizado para modificação de asfaltos, pois melhora sua elasticidade, trabalha bem a baixas temperaturas, além de o ligante modificado poder ser reutilizado;
• RET (Elvaloy): é um modificador que forma uma ligação química com o asfalto, evitando problemas de separação durante a estocagem, transporte e aplicação. Este aumenta a
resistência ao dano por umidade e resulta em asfaltos modificados que apresentarão melhor comportamento nos testes reológicos a temperaturas elevadas.
No Brasil, é crescente o emprego de asfalto-borracha, que teve seu uso implementado comercialmente há cerca de 10 anos. O SBR é utilizado no país para a fabricação de emulsões modificadas por polímero e não como modificadores de asfaltos para misturas a quente. O SBS é usado em larga escala há praticamente 20 anos e o RET (Elvaloy) tem seu uso crescente, como modificação em usina ou em fábrica do ligante.
Dentro dessa perspectiva, o presente trabalho busca ilustrar como a distribuição granulométrica e o tipo de ligante asfáltico afetam as propriedades mecânicas das misturas. Foram avaliadas seis granulometrias (contínuas e descontínuas) e quatro tipos de ligantes asfálticos, sendo um convencional e três modificados, conforme abordado nos itens a seguir.
2. PROCEDIMENTO LABORATORIAL
Os itens a seguir contem a descrição das etapas laboratoriais que foram seguidas nesse estudo. Parte dos ensaios foi realizado no Laboratório de Tecnologia de Pavimentação da Escola Politécnica da USP e parte no Centro de Desenvolvimento Tecnológico da Paulista Infraestrutura (Grupo OHL Brasil).
2.1. Seleção dos Materiais
Na preparação das misturas asfálticas utilizou-se a combinação de três agregados de origem granítica (Brita 1, Pedrisco e Pó de Pedra), cal CH-1 e quatro ligantes asfálticos, sendo um convencional (CAP 30/45) e três modificados (por SBS, Borracha e RET). Os ligantes modificados foram recebidos para a mistura e testes já modificados pelas fábricas. As Tabelas 1 e 2 abaixo apresentam algumas características dos agregados e ligantes asfálticos utilizados, respectivamente.
Tabela 1. Caracterização dos agregados
G ra n u lo m et ri a (% P as sa n d o )
Peneiras Brita 1 Pedrisco Pó de Pedra
1” 100,0 100,0 100,0 3/4” 83,2 100,0 100,0 1/2” 16,0 99,8 100,0 3/8” 1,2 75,6 100,0 N° 4 1,0 1,5 91,0 N° 10 1,0 1,3 56,5 N° 40 1,0 1,3 22,5 N° 80 0,9 1,3 14,5 N° 200 0,8 1,1 9,9
Abrasão Los Angeles (%) 11,7 11,7 -
% dos Grãos com Relação > 1:3 24,5 32,4 -
% dos Grãos com Relação > 1:5 1,5 3,4 -
Equivalente de Areia (%) - - 60,4
Massa Específica Real (g/cm3) 2,791 2,790 2,803
Massa Específica Aparente (g/cm3) 2,771 2,764 2,794
Tabela 2. Caracterização dos ligantes asfálticos
CAP 30/45 SBS 60/85 Borracha RET
Penetração (0,1mm) 32 35 46 40 Ponto de Amolecimento (°C) 55 80 61 58 Viscosidade Brookfield a 135°C (cP) 515 1055 2110 1005 Viscosidade Brookfield a 150°C (cP) 241 498 1102 453 Viscosidade Brookfield a 177°C (cP) 83 190 385 144 Densidade (g/cm3) 1,023 1,014 1,032 1,015 Ponto de Fulgor (°C) 240 293 245 263 Temperatura de Mistura (°C) – Viscosidade entre 150 e 190cP 156 a 162 176 a 183* 198 a 206** 170 a 176 Temperatura de Usinagem (°C) – Viscosidade entre 250 e 310cP 145 a 150 163 a 169* 183 a 190** 160 a 164 * De acordo com recomendações fornecidas pelo fabricante, o ligante foi usinado entre 165-170°C e a compactação entre 155-160°C
** De acordo com recomendações fornecidas pelo fabricante, o ligante foi usinado entre 173-178°C e a compactação entre 162-167°C
2.2. Curvas Granulométricas
A combinação dos três agregados e da cal proporcionou a obtenção de seis distribuições granulométricas distintas, sendo três concretos asfálticos, dois SMAs e um Gap Graded, ilustradas na Figura 1.
(a) (b)
Figura 1. Distribuições granulométricas das misturas asfálticas analisadas: (a) contínuas e (b)
descontínuas
2.3. Dosagem das Misturas Asfálticas
As dosagens das 24 misturas asfálticas (combinação das seis granulometrias com os quatro ligantes asfálticos) foram realizadas pelo Laboratório da Paulista Infraestrutura (OHL Brasil) de acordo com a especificação técnica para projeto de misturas asfálticas a quente OHL-ET-001. As misturas de granulometria SPV e SMA foram projetadas para 4,0% de volume de vazios e as misturas Gap Graded para 5,0%. A preparação dos corpos de prova foi realizada por compactação Marshall, com 75 golpes por face para as granulometrias SPV e Gap Graded e 50 golpes por face para o SMA. Todas as misturas passaram pelo processo de envelhecimento de curto prazo, permanecendo duas horas em estufa antes do proceder de
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0,01 0,1 1 10 100 P e rc e n tu a l P a s s a n d o
Abertura das Peneiras (mm)
MISTURAS CONTÍNUAS SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0,01 0,1 1 10 100 P e rc e n tu a l P a s s a n d o
Abertura das Peneiras (mm)
MISTURAS DESCONTÍNUAS
SMA 8S SMA 11S Gap 12,5mm
compactação. Os teores de projeto das misturas encontram-se resumidos na Tabela 3 e ilustrados na Figura 2.
Tabela 3. Teor de projeto das misturas asfálticas analisadas (percentual em massa) Granulometria /
Ligante Asfáltico CAP 30/45 SBS 60/85 BORRACHA RET
SPV 9,5mm 4,9 4,9 5,9 5,3 SPV 12,5mm 4,7 5,0 6,1 5,0 SPV 19mm 4,5 5,0 5,8 4,7 SMA 8S 6,9 7,3 8,6 7,6 SMA 11S 6,2 6,5 8,1 6,6 GAP 12,5mm 5,6 6,0 6,5 5,9
Figura 2. Ilustração dos teores de projeto por tipo de ligante para as diferentes granulometrias No presente trabalho, a determinação da densidade máxima teórica (DMT) seguiu o procedimento através da aplicação de vácuo (ABNT NBR 15619), denominada de Rice. O ensaio foi realizado, para cada uma das misturas, em diferentes percentuais de ligante asfáltico, como parte do procedimento de dosagem. A Tabela 4, porém, ilustra os resultados obtidos apenas para o teor de projeto.
Tabela 4. Rice das misturas asfálticas analisadas (teor de projeto) Granulometria /
Ligante Asfáltico CAP 30/45 SBS 60/85 BORRACHA RET
SPV 9,5mm 2,559 2,564 2,523 2,548 SPV 12,5mm 2,569 2,554 2,514 2,551 SPV 19mm 2,575 2,553 2,522 2,571 SMA 8S 2,467 2,451 2,413 2,438 SMA 11S 2,497 2,483 2,428 2,480 GAP 12,5mm 2,524 2,517 2,494 2,518
As misturas preparadas com o ligante asfalto borracha (ligante mais consistente) apresentaram os maiores teores de projeto (para as distintas granulometrias estudadas). Os menores teores
3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 1 2 3 4 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm T e o r d e P ro je to
foram obtidos para as misturas com o CAP 30/45 (Figura 2). Estudos apontam para teores mais baixos de projeto, quanto menos consistente for o ligante asfáltico (Soares et al., 2000). Os elevados teores de projeto das misturas preparadas com o ligante asfalto borracha podem estar relacionados à variação na temperatura de usinagem e compactação mencionada na Tabela 2. Segundo orientação do fabricante, as temperaturas foram reduzidas em mais de 20°C, com relação às encontradas pelo gráfico de viscosidade versus temperatura, o que pode ter levado a uma maior necessidade de ligante para o recobrimento dos agregados.
2.4.Ensaios Mecânicos
O comportamento mecânico das misturas asfálticas preparadas no teor de projeto foi avaliado por meio dos ensaios de: (i) resistência à tração por compressão diametral (RT) e (ii) módulo de resiliência (MR), ambos realizados a 25°C. Os resultados ilustrados nas Figuras 3 e 4 são uma média de pelo menos três ensaios.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3. Resultados de resistência à tração por compressão diametral das misturas preparadas com: (a) CAP 30/45, (b) SBS 60/85, (c) BORRACHA e (d) RET
(a) (b) 1,8 1,7 1,8 1,2 1,2 1,2 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm CAP 30/45 R T -2 5°°°° C ( M P a ) 1,9 1,9 1,8 1,1 1,3 1,2 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm SBS 60/85 R T -2 5°°°° C ( M P a ) 1,5 1,4 1,2 1,0 1,0 1,1 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm BORRACHA R T -2 5°°°° C ( M P a ) 1,7 1,6 1,6 1,4 1,5 1,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm RET R T -2 5°°°° C ( M P a ) 4349 4309 3829 2902 3133 2664 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm CAP 30/45 M R -2 5°°°° C ( M P a ) 4466 4261 4152 2247 2667 2664 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm SBS 60/85 M R -2 5°°°° C ( M P a )
(c) (d)
Figura 4. Resultados de módulo de resiliência das misturas preparadas com: (a) CAP 30/45, (b) SBS 60/85, (c) BORRACHA e (d) RET
A partir das Figuras 3 e 4 é possível observar que a variação tanto na granulometria, quanto no tipo de ligante asfáltico, influenciaram de forma significativa os resultados de RT e MR. Os menores valores de RT obtidos para as misturas SMA, quando comparadas com o CA, já havia sido observado em trabalhos anteriores (Vasconcelos, 2004), não indicando necessariamente um pior comportamento. Porém, quando se avalia a razão MR/RT, depara-se com uma influência bastante reduzida dos dois parâmetros, conforme observado na Figura 5. A razão MR/RT vem sendo usada como um indicador da vida de fadiga de misturas, uma vez que agrega informações de rigidez e resistência, sendo mais desejável um valor pequeno da razão, dado que com frequência busca-se (i) baixa rigidez para evitar elevada absorção de tensões, que levam ao trincamento prematuro do revestimento, e (ii) alta resistência à tração, uma vez que em geral uma maior resistência na ruptura é também associada a uma maior resistência à fadiga (Bernucci et al.,2008). Vale salientar porém, que esse parâmetro é apenas uma simplificação, não eliminando a necessidade de realização de ensaios de fadiga, que consideram diferentes níveis de tensão.
(a) (b) (c) (d) 3782 3606 2789 2365 1974 2598 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm BORRACHA M R -2 5°°°° C ( M P a ) 4223 3481 3706 3022 3310 2909 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm RET M R -2 5°°°° C ( M P a ) 2456 2484 2141 2373 2547 2225 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm CAP 30/45 M R / R T 2366 2303 2298 1967 2130 2245 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm SBS 60/85 M R / R T 2569 2636 2396 2344 2031 2279 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm BORRACHA M R / R T 2493 2205 2333 2230 2219 2291 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 1 SPV 9,5mm SPV 12,5mm SPV 19mm SMA 8S SMA 11S GAP 12,5mm RET M R / R T
Figura 5. Resultados de MR/RT das misturas preparadas com: (a) CAP 30/45, (b) SBS 60/85, (c) BORRACHA e (d) RET
3. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS E CONCLUSÕES
A escolha do teor de projeto das misturas estudadas baseou-se primordialmente no volume de vazios obtidos com a compactação do tipo Marshall. Algumas misturas descontínuas apresentaram visualmente excesso de ligante asfáltico e isso foi, de certa forma, verificado em alguns ensaios mecânicos. Convém ressaltar que a definição de um teor de projeto (ou teor ótimo), deveria levar em consideração aspectos do comportamento mecânico das misturas e sua adequação com a estrutura onde vai ser utilizada, bem como com o tráfego esperado e o clima na região.
De forma geral, as misturas preparadas atendendo as especificações de granulometria SPV (mistura densa e contínua) apresentaram maior rigidez e maior resistência à tração, ao passo que as misturas do tipo SMA e Gap Graded apresentaram os menores valores. O ligante asfáltico também influenciou os parâmetros mecânicos, apresentando uma tendência de quanto menor sua consistência, menor os valores de módulo de resiliência e de resistência à tração por compressão diametral.
A relação MR/RT foi utilizada como um indicativo da vida de fadiga das misturas asfálticas. Este parâmetro foi menos influenciado pelas diferentes distribuições granulométricas avaliadas e ainda em menor escala pelo tipo de ligante, mas vale ressaltar que o parâmetro não elimina a necessidade de estudo da vida de fadiga dessas misturas, uma vez que o ensaio de fadiga considera diferentes níveis de tensão.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Grupo OHL Brasil – Autopista Régis Bittencourt pelo financiamento dessa pesquisa e ao Centro de Desenvolimento Tecnológico da Paulista Infraestrutura pela parceria na execução do procedimento laboratorial.
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1
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