Estudo da Utilização de Material Fresado Estabilizado com
Cimento Portland Visando seu Emprego em Camada de
Pavimento
Fábio Pereira Rossato
Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, fabiorossato2005@hotmail.com Luciano Pivoto Specht
Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, luspecht@gmail.com Deividi da Silva Pereira
Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, dsp@ufsm.br Gustavo Menegusso Pires
Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, gmenegussopires@gmail.com Benhur Massuquini Conceição
Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, benhur.mc@gmail.com
RESUMO: O presente trabalho tem como objetivo a realização de ensaios laboratoriais da mistura de material fresado e agregado virgem estabilizado com cimento Portland a fim de obter uma nova composição, que, atendendo às especificações do DNIT, possa ser utilizada em pavimentos. Para o desenvolvimento dos estudos, foi utilizado cimento pozolânico da marca Cimpor, tipo CP IV-32. O material fresado foi obtido pela fresagem superficial de segmentos da rodovia RS-509 localizada na cidade de Santa Maria (RS), e o material virgem é oriundo da Britagem Comercial do município de Itaara (RS). Tomou-se como referência a faixa granulométrica C do DNIT, adotando uma mistura contendo 30% de pó de pedra e 70% de material fresado. Trata-se de uma técnica econômica e ambientalmente justificada, dado que constitui uma solução para a reutilização de um subproduto da construção, reduzindo a necessidade de utilizar novos agregados. Deste modo, constitui-se em uma solução adequada (relação custo-benefício) para obras em carência de alto investimento econômico.
PALAVRAS-CHAVE: Fresado, Estabilização, Cimento Portland, Especificações, DNIT, Faixa Granulométrica.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, o Brasil enfrenta novos e complexos desafios, e, apesar dos avanços expressivos obtidos na pavimentação de vias, diversos estudos indicam que o setor de transportes é um dos grandes entraves para o desenvolvimento e a competitividade do país no mercado internacional, Brasil Econômico
(2011).
Com o intuito de oferecer um panorama atual da malha rodoviária brasileira, a Companhia Nacional do Transporte (CNT) e o Sest Senat realizaram em Outubro de 2012 a 16º edição da Pesquisa CNT de Rodovias, onde mostra que quase dois terços das rodovias pavimentadas do país encontram-se em situação regular, ruim ou péssima. O processo de recuperação e
restauração dessas rodovias, uma vez viabilizado, poderá gerar milhares de toneladas de material asfáltico e agregados resultantes da remoção de revestimentos de pavimentos deteriorados expostos às margens das rodovias. Tendo em vista o panorama da pavimentação rodoviária brasileira, o presente trabalho busca alternativas mais baratas e com a igual ou maior eficiência no campo em questão.
Neste sentido, o objetivo deste trabalho é realizar um estudo técnico do desempenho frente à viabilidade de substituição de parte do agregado virgem por material fresado, estabilizado com diferentes teores de cimento Portland para sua posterior utilização como camada de pavimento.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Pavimento
Segundo Bernucci et al. (2006), o pavimento constitui-se de uma estrutura que contem múltiplas camadas de espessuras finitas, construída sobre a superfície final de
terraplanagem, destinada técnica 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.
Bernucci et al. (2006) e Balbo (2002) afirmam que o pavimento é composto por
quatro camadas principais, que são:
revestimento, base, sub-base e reforço do subleito. O subleito vai integrar a estrutura na função de fundação, em todos os casos, mesmo nos que não possuírem camadas de base, sub-base e/ou reforço.
2.2 Estabilização de solos
Estabilização de solos é o tratamento a que se submete um solo para melhorar-lhe as
características de resistência.
Yoder e Witczak (1975) e Lambe e Whitman (1979) comentam as propriedades de um solo podem ser alteradas por métodos mecânicos, físicos ou químicos. Ou seja, o tipo da estabilização escolhida vai depender das propriedades no estado natural, propriedades desejadas para o solo estabilizado e efeitos no solo após a estabilização, além do custo.
A estabilização granulométrica consiste na mistura de dois ou mais solos, de forma íntima, e sua posterior compactação, a fim de se obter uma mistura densamente graduada e de fração fina plástica limitada (MEDINA,1997).
Medina (1997), ainda descreve sobre a técnica de estabilização química de solos, como sendo a adição de um ou mais produtos químicos (agente estabilizador) que ao solidificarem ou reagirem com as partículas de solo aglomeram-nas, vedam os poros ou tornam o solo repelente à água.
2.3 Reciclagem de Pavimentos
O uso das técnicas de reciclagem de pavimentos asfálticos teve seu início no século passado, mais precisamente por volta de 1915 (KANDHAL, 1997). Já, o uso do CAP na reciclagem de pavimentos é anterior aos anos 30, quando apareceram as primeiras máquinas de fresagem nos Estados Unidos, desenvolvidos por um empreiteiro de Utha, Terrel et al. (1997).
No início dos anos 30, Taylor (1978) relata a execução da reabilitação de pavimentos em
Singapura, usando a reciclagem com
desempenho acima das expectativas, tendo sua vida útil variado entre 25 e 30 anos.
No Brasil, em consequência de um país subdesenvolvido, as primeiras experiências fazendo uso desta técnica foram realizadas apenas na década de 70, na Via Anhanguera em São Paulo sob a responsabilidade do Dersa-SP. Os primeiros serviços de fresagem urbana foram executados na cidade de São Paulo nos
anos 1984/1985, e os primeiros testes de reciclagem em usinas do tipo Drum-Mixer em 1984, também na cidade de São Paulo (ALVIM, 1999).
A técnica de reciclagem de pavimentos, pode ser definida como o reaproveitamento de agregados e ligantes remanescentes do processo, na maioria das vezes de fresagem do pavimento, envelhecidos para produção de uma nova camada, com ou sem acréscimo de novos materiais como, por exemplo, CAP (Cimento Asfáltico de Petróleo), EAP (Emulsão Asfáltica de Petróleo) ou aglomerantes hidráulicos, Bernucci et al. (2006).
Esta técnica, pode ser efetuada a frio ou a quente através de adições ao material fresado, de emulsões rejuvenescedoras ou CAP’s com ou sem agentes rejuvenescedores.
Conforme o Manual de Restauração de Pavimentos (DNIT, 2006), existem muitas vantagens para a utilização da reciclagem em substituição a utilização de materiais novos. Entre estes benefícios estão:
• Conservação de agregados, ligantes e energia: propiciam uma diminuição de demanda de novos materiais;
• Preservação do meio-ambiente: como não necessita de materiais novos, as jazidas de materiais são preservadas e bota-foras são minimizados;
• Restauração das condições geométricas existentes: características geométricas mantidas ou modificadas facilmente.
Em contrapartida, constatam-se algumas desvantagens, entre estas estão:
• Difícil controle de granulometria;
• Dificuldade da obtenção do teor ótimo de betume;
• Dificuldade na obtenção do volume de vazios ideal;
• Relativa perda de resistência;
• Pouca experiência na execução da técnica de reciclagem de materiais asfáltico.
3 METODOLOGIA
Os materiais em estudo foram manipulados segundo os procedimentos da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), e os experimentos foram realizados no Laboratório de Materiais de Construção Civil, localizado nas dependências da Universidade Federal de Santa Maria.
Foram realizados ensaios laboratorais com amostras separadas de pó de pedra e de material fresado, sendo comparados posteriormente com os resultados obtidos pela mistura contendo 70% de material fresado e 30% de pó de pedra estabilizados com diferentes teores de cimento Portland.
3.1 Materiais 3.1.1 Agregados
Os agregados utilizados no estudo são oriundos de Britagem Comercial localizada no município de Itaara (RS), pedreira bastante conhecida na região. Este material foi caracterizado, obtendo a granulometria apresentada na Tabela 1:
Tabela 1. Composição granulométrica do material virgem Granulometria do Material Virgem
Peneiras Abertura (mm) Pó de pedra
2" 50 100 1" 25 100 3/8" 9,5 100 n°4 4,8 98,93 n°10 2 67,07 n°40 0,42 28,37 n°200 0,074 11,85 3.1.2 Fresado
O material utilizado é proveniente da fresagem da RS-509, uma rodovia de tráfego médio localizado no bairro Camobi, na cidade de Santa Maria. O processo de extração do fresado
correspondeu apenas da camada de
revestimento da pista de rolamento, composta por CBUQ.
Após este processo, o material foi encaminhado ao laboratório da UFSM, onde ficou armazenado em local aberto em forma de monte.
A granulometria do material é mostrada na Tabela 2.
Tabela 2. Composição granulométrica do material fresado Granulometria do material Fresado
Peneiras Abertura (mm) % peso passante
2" 50 99,62 1" 25 86,99 3/8" 9,5 59,45 n°4 4,8 40,68 n°10 2 20,16 n°40 0,42 4,09 n°200 0,074 0,32 3.1.3 Cimento
Foi utilizado cimento pozolânico da marca Cimpor, tipo CP IV-32. A escolha deste tipo de cimento teve como propósito especial o fato de suas reações serem mais lentas, com intuito de reduzir a retração térmica quando utilizado em grandes volumes de massa, no caso da prática de pavimentação de vias.
3.1.4 Água
A água em questão, foi retirada diretamente da torneira do Laboratório de Materiais de Construção Civil da UFSM (LMCC). Esta, por conseguinte, é oriunda de poços artesianos localizados no Campus da UFSM.
3.1.5 Mistura
A dosagem obtida para os ensaios teve como referência a curva C do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT). Com base nesta, realizou-se o ajuste granulométrico necessário para uma composição de 30% de pó de pedra e 70% de material fresado, como pode ser visualizado na Tabela 3.
Tabela 3.Composição granulométrica da mistura
Granulometria da Mistura Tipo Para N > 5E6
Faixas de Projeto % peso passante Fresado pó de pedra Peneiras Abertura (mm) Ci Cs Mistura 70% 30% 2" 50 0 0 100 0 0 1" 25 100 100 100 0 0 3/8" 9,5 50 85 72 28 0 n°4 4,8 35 65 58 13,3 0,3 n°10 2 25 50 34 14,7 9,6 n°40 0,42 15 30 15 11,2 8,1 n°200 0,074 5 15 5 2,8 7,5 Passante na n°200 0 0 0 0 0 4,5
A Figura 1, mostra a curva granulométrica resultante da mistura, localizada dentro da faixa C do DNIT, onde faz um comparativo com o
comportamento anterior a correção
granulométrica, somente do material fresado.
Figura 1. Composição da mistura dentro dos limites da Faixa C do DNIT
3.2 ENSAIOS
3.2.1 Ensaio de Compactação
Este ensaio, também denominado de Poctor, tem por finalidade determinar a umidade ótima do material a partir da relação entre o teor de umidade e a massa específica aparente seca, conforme referenciado pela NBR 7182/86. Consistindo basicamente na compactação do solo, no caso específico, do material fresado e da msitura 70/30, com diferentes porcentagens de umidade em um molde cilíndrico.
Para a realização deste ensaio, foram ensaiados 4 corpos-de-prova nas dimensões 15x20cm: 2 contendo somente material fresado e 2 contendo a mistura 70/30, todos utilizando energia Modificada.
3.2.2 Ensaio de CBR
Após determinação da umidade ótima realizada pelo ensaio de Compactação, pôde-se realizar o ensaio de Índice de Suporte Califórnia (ISC), também conhecido por ensaio de CBR, em inglês, California Bearing Ratio.
O presente ensaio é regido pela NBR 9895/86 e consiste na realização de compactação da mistura em molde cilíndrico, semelhante ao ensaio citado anteriormente
apresentando as mesmas energias de
compactação (normal, intermediária e
modificada).
Após a compactação do material fresado e da mistura, conforme a NBR 9895/86, os corpos de prova devem ser pesados e levados à imersão por no mínimo 96 horas para medir a suas respectivas expansões.
Terminado o período de embebição (as leituras devem ser feitas de 24 em 24h), deixar os corpos de prova escoar durante 15 minutos para depois realizar a penetração.
O cilindro com a amostra é levado à prensa para determinação da resistência à penetração, a
qual é feita por meio de um pistão normatizado, com carga de 45N e velocidade de penetração igual a 1,27mm/min.
A resistência a penetração dos corpos de prova é obtida em porcentagem, sendo 100% o valor correspondente à penetração em uma amostra de brita padrão, tida como referência de alta qualidade. Igualmente ao Ensaio Anterior, para realização do ensaio de CBR foram moldados 4 corpos-de-prova nas dimensões 15x20cm: 2 contendo somente material fresado e 2 contendo a mistura 70/30.
3.2.3 Ensaio de Resistência à Compressão Simples
O ensaio em questão, que tem como referência a NBR 5739/2007, consiste na ruptura de corpos-de-prova cilíndricos devido a aplicação de um esforço axial aplicado por uma prensa mecânica, determinando a máxima carga de ruptura suportada pelos mesmos, após ser submetido a um determinado tempo de cura úmida em estufa.
A resistência à compressão deve ser obtida, dividindo-se a carga da ruptura pela área da seção transversal do corpo-de-prova, devendo o resultado ser expresso com aproximação de 0,1 MPa (NBR 5739/2007). Após a realização dos ensaios, consegue-se avaliar o ganho de rigidez progressivo e a mudança de comportamento de matriz descontínua para contínua das amostras.
Utilizou-se uma prensa mecânica modelo
VEB WERKSTOFFPRUFMASSCHINEN
LEIPZIG com capacidade máxima de 1000t,
localizada no LMCC (Laboratório de
Construção Civil da UFSM). A prensa dispunha, ainda, de dispositivo de controle de velocidade de carregamento.
Com intuito de proporcionar uma maior confiabilidade dos resultados, capeou-se as faces dos corpos-de-prova com uma solução a base de enxofre com intuito de reduzir ao máximo as imperfeições nas extremidades no momento do carregamento.
Para a realização deste ensaio, foram moldados 24 corpos-de-prova cilíndricos nas dimensões 10x20cm, sendo submetidos a períodos de cura úmida de 7 e 28 dias e substituição em massa da mistura por cimento Portland (Marca CIMPOR, CP IV-32) de 3,0%, 4,0%, 5,0% e 6,0%.
3.2.4 Ensaio de Permeabilidade
Para este ensaio foi considerado o método de Carga Variável de acordo com a NBR 14545/2000.
Pressupondo, portanto, a existência de proporcionalidade direta entre as velocidades de fluxo e os gradientes hidráulicos, tendo como fórmulas de cálculo as expressões abaixo:
Onde: KT = coeficiente de permeabilidade
(cm/s); a = área do tubo de carga (cm2); L = altura do corpo-de-prova (cm); A = área do corpo-de-prova (cm2); t = tempo de ensaio (s); h0 = altura inicial de água (cm); h1 = altura
d’água final; K20 = coeficiente de
permeabilidade corrigido (cm/s); nT/n20 =
coeficiente de correção de temperatura.
Resumidamente o ensaio consiste na medição do tempo necessário para uma determinada variação de carga, ou seja, na diferença de hora, minuto e segundo que a água vai perdendo altura a medida que percola pela amostra.
Foram ensaiados 4 corpos-de-prova nas dimensões 15x20cm: 1 contendo somente agregado natural, 1 contendo somente material fresado e 2 contendo a mistura 70/30, material fresado e agregado virgem, com 3,0% e 6% de cimento Portland. Todos estes foram ensaiados após 28 dias de cura úmida.
4 RESULTADOS 4.1 Compactação
Para o presente ensaio foi utilizado Energia Modificada, cilindro grande, com 5 camadas de material compactado por um soquete de 4636 ± 10g. Os resultados dos ensaios de compactação são mostrados a seguir na Tabela 4 e suas curvas de compactação na Figura 2.
Tabela 4. Resultados do ensaio de compactação. Material Parâmetros Energia de compactação Energia Modificada
Fresado RS 509
Massa esp. aparente
seca máxima 1827Kg/m³ Teor de umidade
ótima 9,20%
Mistura (70/30)
Massa esp. aparente
seca máxima 1963Kg/m³ Teor de umidade
ótima 8,80%
Figura 2. Curvas de compactação RS 509.
Com base nos resultados obtidos no ensaio e conforme mostrado na Figura 2, tem-se um aumento na massa específica aparente seca da mistura em relação ao fresado, cerca de 7%, devido ao maior preenchimento dos vazios pela correção granulométrica.
Consequentemente à redução dos vazios, há uma redução do teor de umidade ótima da mistura, aproximadamente 4%.
(1) (2)
4.2 CBR
A partir dos valores de umidade ótima obtidos nos ensaios de compactação (para o fresado 8,8% e para a mistura 9,2%), realizou-se os ensaios de CBR. Os resultados são apresentados a seguir nas Tabelas 5 e 6, na Figura 3, pode-se visualizar o comportamento das amostras frente ao aumento da pressão de penetração do pistão.
Tabela 5. Resultados do ensaio de CBR das amostras de material fresado.
Fresado amostra 1 Fresado amostra 2 Dens. Apar.
Seca 1856Kg/m³ 1856Kg/m³ Umidade média 10,75% 10,75%
I.S.C 20,68% 68,50%
Expansão -0,13 -0,10
Tabela 6. Resultados do ensaio de CBR das amostras da mistura 70/30
Mistura amostra 1 Mistura amostra 2 Dens. Apar. Seca 1875Kg/m³ 1856Kg/m³ Umidade média 10,95% 10,75% I.S.C 67,73% 68,50% Expansão -0,06 -0,10
Figura3. Curva Pressão-Penetração de uma das amostras da mistura e do material fresado
Tendo em vista os resultados obtidos no ensaio, pode-se concluir que a mistura 70/30
obteve um aumento do I.S.C em cerca de três vezes com relação ao material fresado, Figura 4.
Figura 4. Comparativo entre os valores de CBR
Constatou-se uma dificuldade em manter rigorosamente os mesmos valores de umidade e densidade seca determinados na compactação para o ensaio de CBR, pois cada amostra distribui-se de maneira análoga no momento da compactação.
Segundo DNIT (2010), a mistura 70/30 do estudo em questão atende aos requisitos para utilização em camadas de base de pavimento contendo um número de repetições de carga de um eixo padrão N ≤ 5x106.
4.3 Ensaio de Resistência à Compressão Simples
Segue os resultados obtidos nos ensaios, para 7 e 28 dias de cura úmida (Tabela 7) e suas respectivas curvas de resistência média para cada idade com seus respectivos desvios padrão (Figura5).
Tabela 7. Resistência a Compressão Simples para 7 e 28 dias de cura úmida
Corpo de prova Teor de cimento (%) RCS(MPa) RCS Média (MPa) Desvio Padrão (MPa) Tempo de cura úmida 1 3 0,66 0,75 0,11 7 dias 2 3 0,7 3 3 0,87 4 3 1,13 1,11 0,04 28 dias 5 3 1,07 6 3 1,13 7 4 0,9 0,93 0,06 7 dias 8 4 0,89 9 4 1,00 10 4 1,56 1,53 0,04 28 dias 11 4 1,54 12 4 1,48 13 5 1,14 1,16 0,03 7 dias 14 5 1,19 15 5 1,14 16 5 1,94 2,13 0,17 28 dias 17 5 2,27 18 5 2,16 19 6 1,71 1,87 0,28 7 dias 20 6 1,71 21 6 2,19 22 6 2,1 2,27 0,14 28 dias 23 6 2,37 24 6 2,33
Figura 5. Curvas de Resistência média aos 7 e 28 dias de cura úmida.
Da análise dos dados, pode-se observar que o valor da resistência à compressão simples dos
corpos-de-prova apresentou um ganho
significativo a medida que é aumentado o teor de cimento das amostras, constatando para o
tempo de cura úmida de 28 dias, um acréscimo de resistência da ordem de 225% quando é elevado o teor de cimento Portland de 3% para 6%.
De acordo com a NBR 12253/92, deve ser adotado como teor ideal de cimento para utilização de material estabilizado com cimento em camadas de pavimento, o qual garantir uma resistência a compressão simples igual ou superior a 2,1MPa aos 7 dias de cura.
No entanto, apenas 1 das amostras contendo 6% de cimento alcançou esse resultado, o que nos permite concluir que se faz necessário um teor mínimo de 6% de cimento para viabilizar o uso em camada de pavimento desse tipo de material (mistura 70/30) estabilizado com cimento.
4.4 Ensaio de Permeabilidade
Para análize dos resultados utilizou-se como referência de pesquisa a classificação de Lambe & Whitman (1979), pois segundo o autor a permeabilidade está relacionada com a composição do solo, ou seja, quanto maior o volume de vazios do solo, maior a permeabilidade, como pode ser observado na Tabela 8.
Tabela 8. Classificação dos solos de acordo com a permeabilidade.
Grau de permeabilidade Valor de K (cm/s)
Alto >10-1
Médio 10-1 a 10-3 Baixo 10-3 a 10-5 Muito baixo 10-5 a 10-7 Praticamente impermeável <10-7
No desenvolvimento do ensaio foi utilizado um tubo de carga de altura inicial (h0) igual a 80cm e área da circunferência (a) igual a 6,131cm² .
Os resultados são mostrados a seguir na Tabela 9.
Tabela 9. Resultado dos ensaios de Permeabilidade. Material Permeabilidade (cm/s)
Grau de permeabilidade Fresado 5,2x10-4 Baixo Mat. Virgem 2,4x10-5 Baixo Mistura70/30
(3% cim) 8,0x10-6 Muito baixo Mistura70/30
(6% cim) 5,2x10-8 Muito baixo
Nota-se que, devido a correção
granulométrica e a ação aglutinante
proporcionada pela adição de cimento Portland, há uma diminuição dos vazios, dificultando a percolação da água e consequentemente tornando a mistura mais impermeável.
5 Conclusões
Os resultados laboratoriais realizados sobre misturas de material fresado, material virgem britado e cimento, permitem concluir que uma camada (base ou sub-base) de pavimento flexível realizada com esta mistura, pode resultar numa camada de elevada resistência.
Trata-se de uma técnica econômica e ambientalmente justificada, dado que constitui uma solução para a reutilização de um subproduto da construção, reduzindo a necessidade de utilizar novos agregados. Deste modo, constitui-se em uma solução adequada (relação custo-benefício) para obras em carência de alto investimento econômico.
Por conseguinte, o aumento da capacidade resistente dessa camada de pavimento, quando na utilização da mistura 70/30 estabilizada com 6% de cimento em camada de sub-base, pode traduzir-se na possibilidade de diminuir a espessura das restantes camadas de pavimento, reduzindo o consumo de novos agregados e ligantes betuminosos.
Já para sua utilização em camada de base, conclui-se que surge como uma boa alternativa para rodovias de baixo volume de tráfego, pois alcançou valores de CBR inferiores ao valor de referência padrão (CBR(BGS)=100%).
Além dos custos diretos, decorrentes da diferença de espessura de pavimento calculada no dimensionamento, que contabiliza a diminuição de materiais novos necessários (agregado britado e misturas betuminosas), pode ser contabilizado também a diminuição de custos decorrentes da não circulação desses produtos quando da execução da obra. Estima-se que, pelo fato de Estima-se transportarem menos inertes e ligantes betuminosos para o local da empreitada, haverá uma diminuição do volume de tráfego nas vias adjacentes à obra e consequentemente ocasionará uma redução dos custos com o transporte de material inerte.
Em contrapartida, é necessário salientar o poder impermeabilizante desta constituição (mistura fresado/agregado virgem, estabilizada com cimento Portland), o qual deve ser levado em consideração na escolha de sua função como camada de pavimento. Pois, esta característica faz com que seja necessário o uso conjunto de uma camada drenante, a fim de que possa manter a estabilidade do pavimento.
AGRADECIMENTOS
O segundo e o terceiro autor agradecem ao MEC pela bolsa PET, o quarto autor agradece a CAPES pela bolsa PIBIQ e o quinto agradece a FID pela bolsa de extensão BID.
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