FERNANDA GAI CARNELUTTI
ANÁLISE DE DESEMPENHO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS EM
ENSAIOS MECÂNICOS EXECUTADOS EM PAVIMENTOS FLEXÍVEIS
Ijuí 2018
ANÁLISE DE DESEMPENHO DOS LIGANTES ASFÁLTICOS EM
ENSAIOS MECÂNICOS EXECUTADOS EM PAVIMENTOS FLEXÍVEIS
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador(a): Prof. Me Daiana Frank Bruxel
Ijuí /RS 2018
ANÁLISE DE DESEMPENHO DE DESEMPENHO DOS LIGANTES
ASFÁLTICOS EM ENSAIOS MECÂNICOS EXECUTADOS EM
PAVIMENTOS FLEXÍVEIS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, de Julho de 2018
Prof.Me. Daiana Frank Bruxel Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) - Orientador
Prof.Me. Lia Geovana Sala Coordenador do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Me. Carlos Alberto S. P. Wayhs Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)
Dedico este trabalho aos meus pais que acreditaram e me incentivaram durante toda a jornada acadêmica.
Aos meus pais que são meus maiores exemplos, Jurandir e Maria Elizabete, por terem me apoiado e incentivado aos estudos, e por nunca terem medido esforços durante estes anos para que eu concluísse a graduação. Com certeza, se não fosse o apoio moral, afetivo e financeiro não teria conseguido lograr êxito nesta jornada.
Aos meus irmãos por todo carinho e apoio.
Em especial ao meu querido “namorido” Daniel, por ter sido um companheiro tão compreensivo e paciencioso, por ter me incentivado, incessantemente, aos estudos, por ter compreendido a minha ausência e as eventuais “faltas de tempo” em virtude dos estudos. Com certeza, concluir esta jornada foi muito mais fácil com o teu apoio.
A minha querida orientadora Profe Daiana, por não ter medido esforços em compartilhar todo o conhecimento dela sobre pavimentação asfáltica, desde o estagio I, até o TCC. Por ter sido tão gentil até nas puxadas de orelha e pela paciência no desenvolvimento do trabalho de conclusão.
Enfim, agradeço a Deus e ao meu anjo da guarda por protegerem e guiarem os meus caminhos até o fim.
“Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas lutei para que o melhor fosse feito. Não sou o que deveria ser, mas Graças a Deus, não sou o que era antes”.
CARNELUTTI, G. F. Análise de desempenho dos ligantes asfálticos em ensaios mecânicos executados em pavimentos flexíveis. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018.
A deformação permanente é uma das patologias mais comuns nos pavimentos asfálticos brasilieiros, devido ao alto volume de tráfego, causando desconforto ao rolando, falta de segurança ao usuário e acarretando em aumento dos custos operacionais. Com o intuito de aumentar o conhecimento sobre os ensaios mecanísticos que preveem este tipo de defeito, este trabalho teve por objetivo analisar a literatura e ensaios mecânicos realizados por diversos autores analisando a influência do ligante asfáltico quanto à deformação permanente e o seu comportamento nos ensaios de resistência à tração, módulo resiliente, módulo complexo, flow number e dano em meio continuo. A partir desta revisão bibliográfica foi possível verificar o comportamento dos ligantes asfálticos convencionais e modificados quanto ao seu desempenho. Através deste estudo, pode-se afirmar que os ensaios mais modernos preveem com mais precisão este tipo de defeito recorrente nas rodovias brasileiras, através deles é possível classificar a rodovia em níveis de tráfego a que ela está exposta, proporcionando uma melhor dosagem e escolha do ligante asfáltico. Como o Brasil não possui recursos financeiros suficientes para manutenção adequada e desenvolvimento de novas tecnologias ainda são utilizados os ensaios mecânicos mais antigos. Os resultados dos ensaios apresentaram que os ligantes modificados apresentam melhor desempenho a deformação permanente, indicando que o mesmo deve ser adotado na dosagem das misturas asfálticas, visando à prevenção da patologia em questão tornando o pavimento mais resistente e aumentando sua vida residual.
CARNELUTTI, G. F. Performance analysis of asphalt binder in mechanical tests on flexible pavements. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018. Permanent deformation is one of the most common pathologies in brazilian asphaltic pavements, due to the high volume of traffic, causing discomfort during rolling, lack of safety to the user and leading to an increase in operating costs. In order to increase the knowledge about the mechanistic tests that predict this type of defect, this work had the objective of analyzing the literature and mechanical tests performed by several authors analyzing the influence of the asphalt binder on the permanent deformation and its behavior in the tests of tensile strength, resilient modulus, complex modulus, flow number and continuous media damage. From this bibliographic review it was possible to verify the behavior of the conventional asphaltic binders and modified as to their performance. Through this study, it can be affirmed that the more modern tests predict with more precision this type of recurrent defect in the Brazilian highways, through them it is possible to classify the highway in levels of traffic to which it is exposed, providing a better dosage and choice of asphalt binder. As Brazil does not have sufficient financial resources for adequate maintenance and development of new technologies, the oldest mechanical tests are still used. The results of the tests showed that the modified binders present a better permanent deformation performance, indicating that it must be adopted in the dosage of the asphalt mixtures, aiming to prevent the pathology in question making the pavement more resistant and increasing its residual life.
Figura 1 – Seção transversal de pavimento rígido de concreto ... 22
Figura 2 - Seção transversal típica de um pavimento flexível. ... 24
Figura 3 - Deformação permanente em pavimentos asfálticos. ... 26
Figura 4 - Influência do agregado e do ligante no comportamento de misturas asfálticas. ... 28
Figura 5 - Esquema de tensões em um ponto qualquer, durante o ensaio de compressão diametral. ... 32
Figura 6 - Representação dos esforços e do plano de ruptura típica no ensaio de Resistência à Tração ... 32
Figura 7 - Pulso de carregamento com função de onda Haversine ... 38
Figura 8 - Duração dos tempos de carregamento e repouso ... 38
Figura 9 - Representação gráfica dos pulsos de carga e dos deslocamentos durante o ensaio de MR ... 39
Figura 10 - Algoritmo utilizado pela AASHTO TP 31-96 ... 40
Figura 11 - Algoritmo utilizado do LTPP - Protocolo P07 ... 40
Figura 12 - Algoritmo utilizado no NCHRP - 1-28 e 1-28A ... 41
Figura 13 - Deslocamentos totais, deslocamentos resilientes instantâneos e deslocamentos resilientes totais. ... 41
Figura 14 - Regressões das porções de descarregamento do pulso de deslocamento .. 44
Figura 15 - Deslocamento resiliente instantâneo ... 45
Figura 16 - Deslocamento resiliente total. ... 45
Figura 17- Ensaio do Módulo de Resiliência (UTM) ... 46
Figura 18 - Curva mestra do módulo complexo. ... 49
Figura 19- Desenho esquemático do comportamento viscoelástico sob-carregamento harmônico ... 50
Figura 20- Equipamento para ensaios de módulo complexo e fadiga à flexão senoidal ... 52
Figura 21- Características do corpo de prova trapezoidal para ensaio de módulo complexo e fadiga e comportamento tensão x deformação da flexão senoidal ... 52
Figura 22 - Carregamento e deformação no ensaio de creep dinâmico ... 56
Figura 23 - Gráfico com a deformação plástica e a taxa de deformação plástica ao longo do ensaio de creep dinâmico, com a identificação do FN ... 57
usando o novo modelo de material de dano contínuo. ... 63
Figura 26 - Evolução do parâmetro de dano, S para o teste monotônico. ... 63
Figura 27 - Gráfico da função C ( S ) pseudo deformação com o tempo ... 64
Figura 28: Diagrama do programa VECD-FEP++ ... 66
Tabela 1 – Valores de parâmetros de dosagem de mistura asfáltica ... 30
Tabela 2 – Parâmetros volumétricos para Superpave ... 30
Tabela 3- Valores de referência para RT ... 34
Tabela 4 – Valores de MR e RT ... 34
Tabela 5- Módulos de resiliência e resistência de misturas estudadas no país (25°C) . 47 Tabela 6 – Diferenças entre os ensaios de MR e E* ... 53
Tabela 7 – Critérios para FN ... 59
Tabela 8 – Critérios de FN ... 59
Tabela 9- Parâmetros utilizados nos ensaios de RT – Temperatura 25ºC ... 73
Tabela 10 – Ensaios de RT com temperatura de 35ºC ... 74
Tabela 11 - Relação entre as resistências à tração a 25° e 35°C ... 74
Tabela 12 - Comparação de resultados de resistência à tração... 75
Tabela 13 – Resultados de ensaio MR – Dosagem Superpave... 77
Tabela 14 - Relação entre o módulo resiliente a 25° e 35°C ... 78
Tabela 15 - Relação MR/RT para 25ºC e 35ºC ... 79
Tabela 16 - Relação entre os valores médios de MR/RT das misturas ensaiadas ... 79
Tabela 17 - Resultados do ensaio de módulo de resiliência ... 80
Tabela 18 - Parâmetros utilizados no ensaio de E* dosagem Superpave ... 81
Tabela 19 - Resultados de ensaio de módulo dinâmico... 82
Tabela 20 - Resuldados de MD da mistura CAP TLA FLEX ... 83
Tabela 21 - Resultados de MD da mistura COMPAFLEX 60/85 ... 83
Tabela 22 - Resultados de E* para misturas com o CAP 50/70 ... 84
Tabela 23 - Resultados de E* para misturas com o CAP TLA ... 85
Tabela 24 - Resultados de E* para misturas com o CAP 60/85 ... 85
Tabela 25 - Resultados de E* para misturas com o CAP TLA Flex ... 86
Tabela 26 – Valores de E* ... 87
Tabela 27 – Resultados do ensaio E* ... 87
Tabela 28: Parâmetros adotados pelos pesquisadores para o ensaio FN ... 88
Tabela 29: Resultados do ensaio uniaxial de cargas repetidas ... 89
Tabela 30: Resultados de FN ... 90
Tabela 31 - Critérios de FN para diferentes níveis de tráfego da literatura... 91
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
AASHTO American Association of Highway and Transportation Officials Af Comprimentoda Trinca
ASTM American Society of Testing and Materials ATR Afundamento de Trilha de Roda
CA Concreto Asfáltico
CAP Cimento Asfáltico de Petróleo
CBUQ Concreto Betuminoso Usinado à Quente CNT Confederação Nacional de Transportes
CP Corpo de Prova
DAER Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes E Módulo de Elasticidade
E* Módulo Dinâmico
∣𝐸∗∣ Módulo Complexo
FHWA Federal Highway Administration
FN Flow Number
σ0 Tensão dinâmica máxima
Hz Hertz
LAS Linear Amplitude Sweep
MD Módulo Dinâmico μ Coeficiente de Poisson MR Módulo de Resiliência
NCHRP National Cooperative Highway Research Program RT Resistência à Tração
kPa Quilo Paschoal
SHRP Strategic Highway Research Problem S-VECD Simplified Viscoelastic Continuum Damage
UNIJUI Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UTM Universal Testing Machine
1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 Contexto ... 14 1.2 Problema ... 16 1.2.1 Questões de Pesquisa ... 17 1.2.2 Objetivos de Pesquisa ... 18 1.3 ORGANIZAÇÃO DA PESQUISA ... 18 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 20 2.1 RODOVIAS BRASILEIRAS ... 20 2.2 PAVIMENTO ASFÁLTICO ... 21
2.3 CARACTERIZAÇÃO DAS MISTURAS ASFÁLTICAS ... 25
2.3.1 Misturas Asfálticas ... 25
2.3.2 Deformação Permanente ... 26
2.3.3 Dosagem das Misturas Asfálticas ... 29
2.3.3.1 Dosagem Marshall ... 29
2.3.3.2 Dosagem Superpave ... 30
2.4 ANÁLISE DOS MÉTODOS DE DESEMPENHO PARA ENSAIOS MECÂNICOS ... 31
2.4.1 Resistência À Tração Estática Por Compressão Diametral (RT) ... 31
2.4.2 Módulo de Resiliência (MR) ... 36
2.4.3 Módulo Complexo (E*) ... 48
2.4.4 Flow Number ... 55
2.4.5 Dano Em Meio Continuo ... 59
3 MÉTODO DE PESQUISA ... 68
3.1 Estratégia de Pesquisa ... 68
4.2 MÓDULO RESILIENTE (Mr) ... 75
4.3 ENSAIO MÓDULO COMPLEXO (E*) ... 80
4.4 FLOW NUMBER ... 88
4.5 DANO EM MEIO CONTÍNUO ... 93
5 CONCLUSÃO ... 96
5.1 Conclusões ... 96
5.2 Sugestões de trabalhos futuros ... 99
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1 INTRODUÇÃO
A malha rodoviária brasileira vem apresentando nos últimos anos baixos níveis de conforto e segurança para quem trafega devido à falta de investimentos na manutenção e conservação das rodovias. Ocasionando acidentes, atrasos na logística de mercadorias, gastos com manutenção e combustíveis e desperdício de cargas.
Pelas estimativas da Associação Nacional dos Usuários de Transporte (Anut), o país perde US$ 5 bilhões por ano com a precariedade, principalmente das estradas e dos outros segmentos do transporte. Enquanto a Anut calcula em R$ 24 bilhões anuais os investimentos necessários para ampliar a capacidade do sistema de transportes como um todo para trazer equilíbrio à matriz, o Sindicato Nacional da Indústria da Construção Pesada (Sinicon) estima em R$ 5 bilhões anuais para o país recuperar e pavimentar as principais estradas do país (BERNUCCI et al., 2008).
Em 2016, o governo federal investiu R$ 8,61 bilhões (0,14% do PIB) em intervenções nas rodovias públicas federais, sendo 64,3% em ações de manutenção de rodovias distribuídas entre todas as regiões. Já em 2017, até junho, foram desembolsados R$ 3,01 bilhões, dos quais 65,6% também foram alocados em manutenção. Apesar do aumento dos aportes em 2016, em relação ao ano de 2015 (R$ 5,95 bilhões), a qualidade das rodovias piorou, comprometendo ainda mais a atividade econômica (CNT, 2017).
Os pavimentos asfálticos normalmente não apresentam rupturas bruscas e repentinas e sim deteriorações funcionais e estruturais acumuladas no momento em que passam a ser solicitados por cargas dinâmicas (abertura ao tráfego). Por conta disto, é interessante estudar as origens destas manifestações patológicas para aperfeiçoar o desempenho mecânico apresentado pela estrutura (BERNUCCI et al., 2008).
O trincamento é a principal causa de degradação dos pavimentos rodoviários no Brasil. Ao longo da vida de trabalho do pavimento existe uma deterioração do revestimento que tem como consequência a queda do desempenho desta camada, no qual para um dado número de solicitações, geralmente relacionadas a um número equivalente de passagens de eixo padrão, acontece a degradação (RODRIGUES, 1991).
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A parcela do Afundamento de Trilhas de Roda (ATR) inerente ao revestimento asfáltico tem sua previsão dependente do modelo constitutivo empregado (Soares e Souza, 2002), mas não está ligada diretamente somente às misturas asfálticas.
Observa-se nas últimas décadas uma maior utilização de métodos de dimensionamentos de pavimentos que buscam compatibilizar as ações solicitantes do tráfego com a capacidade dos materiais por meio da análise estrutural de sistemas em camadas (MOTTA, 1991; HUANG, 1993; MEDINA, 1997).
Para a solução de problemas estruturais, por métodos numéricos ou analíticos, é necessário que se defina, basicamente, a geometria do problema, as condições de contorno (carga e deslocamento) e as propriedades dos materiais (ALLEN E HAISLER, 1985).
A tomada de decisões viáveis, confiáveis e econômicas depende de uma avaliação fundamentada em conceitos bem aplicados, sendo possível assim a previsão do comportamento da estrutura do pavimento quando sob a ação do tráfego. Neste contexto, torna-se de extrema importância a presença de um profissional qualificado no processo de avaliação estrutural de um pavimento (PITTA e BALBO, 1998).
1.1 CONTEXTO
O modal rodoviário é o principal meio de ligação entre as regiões brasileiras, e também o principal meio de transporte de cargas, que corresponde a aproximadamente 60%.
Nesse contexto, podemos destacar o desempenho do pavimento como sendo o principal material para o crescimento econômico do país, mas devido a sua capacidade de suportar as cargas repetidas, provenientes do tráfego de caminhões pesados e carros, passam a apresentar problemas estruturais prematuros. A maioria das rodovias brasileiras não foi dimensionada para tamanhas solicitações, que acabam resultando em afundamento de trilha de roda, trincamento por fadiga, entre outros problemas relacionados à incompatibilidade do dimensionamento destes pavimentos.
______________________________________________________________________________ Nascimento (2008) destaca que a ocorrência de problemas relacionados à deformação permanente nos revestimentos asfálticos nos últimos anos tem se tornado bastante comum. Tornando-a um agravante, pois tem se manifestado de forma prematura e acaba comprometendo a vida residual e a serventia do pavimento em pouco tempo.
Pereira e Miranda (1999) consideram dois grupos importantes relacionados com as patologias precoces nos pavimentos: passivos e ativos. O primeiro está relacionado com o pavimento: espessura do material e qualidade da execução. Os fatores ativos estão associados às ações do tráfego e do clima que são responsáveis pela deterioração dos pavimentos.
A melhor maneira de resolver problemas estruturais seja por métodos numéricos ou analíticos é o delineamento da geometria do problema, as condições de contorno (carga e deslocamento) e as propriedades dos materiais utilizados (ALLEN E HAISLER, 1985).
O dimensionamento mecânico dos pavimentos tem como objetivo determinar as espessuras das camadas tornando as tensões e deformações calculadas compatíveis com a resistência dos materiais constituintes nas misturas (MOTTA, 1991).
Os métodos empíricos de dimensionamento têm sido discutidos nos últimos anos entre engenheiros rodoviários, mas por estes métodos se basearem em procedimentos executados a partir de ensaios empíricos em determinados pavimentos, muitas vezes condições especificas não se aplicam a outras regiões (FRANCO, 2007).
Segundo Balbo (2007) os métodos de dimensionamento – empíricos, semi-empíricos e semiteóricos (ou empírico-mecanistas) – apresentam aspectos positivos e negativos, dependendo da consideração de parâmetros físicos e numéricos, campos de aplicação e facilidade de emprego. Os métodos mecanísticos – empíricos permitem melhor aproveitamento de recursos específicos de projeto, compatibilizando materiais e testando vários arranjos, o que permite reduzir a duração da obra e as despesas (MEDINA e MOTTA, 2015).
Devido ao avanço tecnológico ligado a pavimentação asfáltica, ainda há uma grande discussão sobre qual método de ensaio de pavimentos flexíveis melhor se adéqua aos pavimentos, em virtude das altas solicitações de cargas diariamente.
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Em virtude do contexto, neste trabalho foi realizado um estudo teórico, onde compara os métodos que preveem a deformação permanente em pavimentos flexíveis, tanto normatizados no Brasil como no exterior, a fim de verificar os benefícios da aplicação destes métodos e se é possível executá-los com maior precisão técnica na concepção de rodovias, evitando futuros problemas em determinadas regiões do pavimento.
Além disso, não foi encontrada nas bibliografias existentes uma compilação de dados sobre os ensaios atuais que determinam as deformações permanentes nos revestimentos utilizados atualmente no Brasil, com aplicações existentes e análise dessas aplicações. Portanto, esta pesquisa justifica-se pelo fato de condensar os conceitos existentes das várias bibliografias e estudos em um só trabalho científico.
1.2 PROBLEMA
O transporte rodoviário no Brasil é a principal alternativa para movimentação de cargas e pessoas, contribuindo significativamente para o desenvolvimento socioeconômico nacional. Com uma participação de mais de 61% na matriz de transporte de cargas e de 95% na de passageiros, a infraestrutura rodoviária é também a principal responsável pela integração de todo o sistema de transporte no país (CNT, 2017).
A pesquisa CNT (2017) diz que o estado de conservação do pavimento também está diretamente associado aos custos operacionais e ao aumento do risco da ocorrência de acidentes. A má condição da superfície de rolamento das rodovias, com a presença de afundamentos, ondulações e/ou buracos, contribui para a instabilidade do veículo e, consequentemente, para a dificuldade em mantê-lo na trajetória desejada, podendo, desse modo, gerar colisões devido à mudança brusca de direção e à perda do controle do veículo.
Segundo Joliet & Mallot (2000) a deformação permanente em trilha de roda ocorre de forma simultânea, pois envolve a deformação viscosa do ligante asfáltico causando deformação plástica na estrutura mineral da mistura asfáltica. Estes autores ressaltam que tanto o ligante como o agregado exerce papel fundamental no desempenho da mistura asfáltica.
Svenson (1980) afirma que o acúmulo de deformações permanentes em uma camada de concreto asfáltico é causado por uma combinação de densificação (redução do volume) e
______________________________________________________________________________ deformação cisalhante, devido à repetição das cargas de tráfego. O fator predominante são as elevadas tensões cisalhantes na parte superior da camada asfáltica.
Através de resultados de estudos experimentais realizados na pista da American Association of State Highway Officials (AASHO), foi possível determinar a porcentagem de contribuição de cada camada no pavimento para o afundamento da trilha de roda. Constatou-se que naquelas condições que a camada de revestimento foi responsável por 32% deste afundamento, a base de brita por 14%, a sub-base por 45% e o subleito por 9% (MEDINA e MOTTA, 2005).
Para Nascimento (2008) alguns fatores podem contribuir para o afundamento de trilha de rodas, como os relacionados ao agregado (granulometria, tamanho, forma, textura, angularidade dos agregados graúdos e miúdos, e geometria e propriedade do fíler), ao ligante asfáltico (Grau de Desempenho (PG), teor e afinidade entre o asfalto e agregado) e aos condicionantes externos (clima, carga de tráfego, velocidade do tráfego).
Portanto, considerando os diversos estudos e pesquisas realizadas acerca dos ensaios mecânicos empíricos e de campo, realizados para prever a deformação permanente nos pavimentos asfálticos, é que se deseja aprofundar o estudo sobre tal assunto, de forma a especificar os métodos de ensaios mecânicos para este tipo de defeito das rodovias proveniente da ação repetitiva das cargas, o qual compromete a vida útil estrutural e funcional do pavimento. 1.2.1 Questões de Pesquisa
Questão principal
Proporcionar conhecimento técnico sobre os métodos utilizados em ensaios mecânicos de pavimentação asfáltica, descrevendo a execução destes ensaios conforme as normas pertinentes e a execução em ensaios de laboratórios, bem como apresentar a importância de cada ensaio e seus valores de referência para a previsão adequada dos defeitos recorrentes nas rodovias, como a deformação permanente?
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Questões secundárias
Tendo em vista os altos índices de deformação permanente nas rodovias brasileiras, através da revisão bibliográfica apresentar as vantagens e desvantagens dos ensaios de RT, MR, MD, FN e Dano Contínuo?
1.2.2 Objetivos de Pesquisa Objetivo Geral
Desenvolver um estudo aprofundado sobre os métodos de execução utilizados nos ensaios mecânicos de pavimentação asfáltica, procurando compreender seu método de desempenho e a sua utilização em relação a outros problemas recorrentes em rodovias. Objetivos específicos
a) Realizar uma revisão bibliográfica dos diferentes métodos de desempenho realizados no Brasil e também os novos métodos executados no exterior.
b) Avaliar quais ensaios podem ser considerados eficientes e qual sua viabilidade na aplicação em campo.
c) Difundir e proporcionar conhecimentos sobre os ensaios realizados em campo e laboratório na concepção e manutenção de rodovias.
1.3 ORGANIZAÇÃO DA PESQUISA
A estrutura da apresentação deste trabalho está distribuída da seguinte maneira:
Capítulo 1:
É descrito uma breve introdução sobre o tema, abordando o contexto, o problema, bem como as questões de pesquisa e o objetivo geral e específico.
Capítulo 2:
Serão expostas as referências bibliográficas sobre os diferentes métodos de ensaios mecânicos executados em pavimentos flexíveis, citando as definições pertinentes a cada método.
______________________________________________________________________________ Abordará a metodologia utilizada, a caracterização do objeto de estudo e a técnica de pesquisa utilizada para o desenvolvimento do trabalho.
Capítulo 4:
Serão apresentados os resultados obtidos da revisão bibliográfica para ensaios mecânicos realizados em laboratórios com diferentes ligantes asfálticos, desenvolvidos por outros autores, a fim de analisar a sua função relacionada com a deformação permanente.
Capítulo 5:
Será descrito a conclusão obtida sobre a pesquisa, dando ênfase aos resultados, as recomendações e o fornecimento de sugestões para futuras pesquisas.
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2 REVISÃO DA LITERATURA
Nessa seção foi apresentada a revisão bibliográfica baseada nos normativos de cada ensaio mecânico de pavimentação asfáltica.
2.1 RODOVIAS BRASILEIRAS
Para Silva (2011) a pavimentação asfáltica representa parcela importante na economia do País, pois conecta uma rede que permite o movimento de pessoas e cargas, essencial ao desenvolvimento. Logo, a riqueza do País está associada a sua malha rodoviária pavimentada, com qualidade de pavimento.
O Manual de Restauração de Pavimentos Asfálticos do DNIT (BRASIL, 2006b) afirma que o desempenho funcional de um pavimento se refere à capacidade de ele satisfazer sua principal função, que é fornecer uma superfície com serventia adequada em termos de qualidade de rolamento.
A CNT (2017b) realizou um estudo com o tema “Por que os pavimentos das rodovias do Brasil não duram?” para responder a esta pergunta foram consultados especialistas de universidades, do DNIT e das concessionárias. Os entrevistados apontaram como possíveis causas da degradação precoce do pavimento rodoviário do país, quatro categorias: i) método de dimensionamento; ii) tecnologias e processo construtivo; iii) manutenção e gerenciamento; iv) fiscalização.
A pesquisa da CNT (2017b) concluiu que o método de dimensionamento dos pavimentos utilizado atualmente no Brasil para definição da espessura de cada camada da estrutura é bastante antigo, datado da década de 1960. Dessa forma, ele não incorpora materiais de pavimentação mais modernos, novos veículos de carga, nem a composição atual do tráfego nas rodovias brasileiras. Além disso, trata-se de um método empírico, ou seja, que não contempla teorias sobre o comportamento elástico das camadas (chamadas de teorias mecanísticas), importantes por permitirem prever a ruptura por fadiga do pavimento. A adoção de métodos mecanístico-empíricos tem se mostrado uma tendência natural de evolução para dimensionamento dos pavimentos ao redor do mundo.
______________________________________________________________________________ No cenário atual, em que a maior parte dos pavimentos já ultrapassou o tempo de vida para os quais foram projetados e que não tiveram nesse período, a manutenção adequada, a melhor solução apontada pela academia tem sido a reciclagem dos pavimentos existentes, considerada uma alternativa que gera benefícios econômicos e ambientais. Outros tipos de materiais, no entanto, vêm ganhando espaço dentro da pavimentação flexível no Brasil, tais como o asfalto borracha e asfaltos modificados com polímeros. A usinagem morna também tem sido apontada como uma alternativa ecologicamente mais interessante do que a própria usinagem a quente, permitindo ganho de eficiência energética e redução das emissões de gases do efeito estufa, além de uma melhor performance do ligante (CNT, 2017b).
Consoante ao exposto acima, os ensaios mecânicos para pavimentos asfálticos é de suma importância para a prevenção de defeitos recorrentes nas rodovias como a deformação permanente, causados por cargas repetidas, ação climática e o tipo de ligante asfáltico utilizados para determinados trechos.
Os ensaios mecânicos mais utilizados no Brasil são o de resistência à tração, que é o mais antigo de todos, e o módulo resiliente, os ensaios de módulo complexo, flow number e dano contínuo ainda não estão normatizados para serem executados no nosso País. A importância destes ensaios mais novos está associada aos resultados mais precisos para os defeitos dos pavimentos.
2.2 PAVIMENTO ASFÁLTICO
Senço (1988) diz que, pavimento é uma estrutura construída sobre a terraplanagem e destinada, técnica e economicamente, a resistir aos esforços verticais provenientes do tráfego a que é exposta e distribuí-los por uma maior parte da seção, melhorar as condições de rolagem da rodovia quanto ao conforto e segurança e suportar aos esforços horizontais (desgaste), tornando mais durável a superfície de rolamento da pista.
O pavimento é uma estrutura formada por camadas de diferentes espessuras e materiais, assente sobre um solo de fundação, denominado subleito. Destina-se a resistir e distribuir ao subleito os esforços verticais e horizontais produzidos pelo tráfego, tornando mais durável a camada de rolamento e mantendo condições adequadas quanto à comodidade e segurança (MEDINA, 1997).
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Embora o pavimento seja composto por várias camadas, tradicionalmente os pavimentos são classificados em dois tipos: rígidos e flexíveis, que distribuem a carga pela base e sub-base de maneiras diferentes (SENÇO, 2007).
O termo rígido e flexível compreende as reações estruturais dos materiais isoladamente como também as respostas estruturais do pavimento como um todo. Logo, descreve o desempenho do pavimento sobre ações de esforços externos (BALBO, 2007).
Os pavimentos rígidos são aqueles que a espessura é determinada em função da resistência à flexão das lajes de concreto. É um revestimento constituído por ligantes de cimento (BAPTISTA, 1978).
O concreto é constituído por uma mistura relativamente rica de cimento Portland, areia, agregado graúdo e água, distribuído numa camada devidamente adensada, essa camada funciona ao mesmo tempo como revestimento e base do pavimento (DNIT, 2006).
Para Mesquita (2001) e Rodrigues (2011) o pavimento em placas de concreto classifica-se como um pavimento rígido, o qual apresenta elevada resistência a esforços de flexão. No pavimento rígido as pressões transmitidas à fundação são bastante pequenas, produzindo deformações também reduzidas e bem distribuídas ao longo da área de aplicação do carregamento, conforme Figura 1 (BALBO, 2005).
Figura 1 – Seção transversal de pavimento rígido de concreto
______________________________________________________________________________ Rodrigues (2011) diz que a camada de fundação ou subleito precisa ser constituída por material homogêneo e inerte à ação da água, sendo que uma camada adicional de solo melhorado deve ser executada como reforço caso o subleito não apresente as características desejadas. O reforço de subleito raramente será necessário nesse tipo de pavimento já que as placas de concreto transmitem tensões bastante pequenas para as camadas inferiores (BALBO, 2005).
Balbo (2007) diz que na camada de base e sub-base podem ser empregados materiais como solo estabilizado naturalmente, solo – brita (mistura de solos e agregados), brita graduada tratada com cimento, brita graduada, solos estabilizados quimicamente com ligantes asfálticos ou hidráulicos.
As bases rígidas podem ser (SENÇO, 2007):
1. Concreto de cimento: mistura de agregados, areia, cimento e água, nas dimensões previstas em projeto. É que mais se caracteriza como rígida, podendo ser armada ou não; 2. Macadame de cimento: constituída de agregado graúdo – diâmetro entre 50 mm e 90 mm – onde os vazios são preenchidos com material de granulometria mais fina e cimento;
3. Solo cimento: mistura de solo, cimento e água, nas proporções previstas em projeto. A laje superior de concreto executa a função simultânea de camada de rolamento e de base estrutural, além de ser a camada responsável por garantir a permeabilidade do pavimento (MESQUITA, 2001; DOMINGOS, 2007; RODRIGUES, 2011).
Bernucci et al. (2008) quando denominados pavimentos flexíveis, se caracterizam por possuírem um revestimento composto de material asfáltico. A estrutura do pavimento é normalmente composta por quatro camadas principais: revestimento asfáltico, base, sub-base e reforço do subleito. A Figura 2 ilustra a seção transversal típica de um pavimento flexível.
_____________________________________________________________________________________________ Figura 2 - Seção transversal típica de um pavimento flexível.
Fonte: CNT (2017)
A estrutura do pavimento pode apresentar a regularização do subleito, cuja finalidade é conformar o subleito tanto transversalmente quanto longitudinalmente, atendendo a determinadas especificações. Não é necessariamente considerada uma camada do pavimento (DNIT, 2006).
A camada de reforço do subleito é uma camada de espessura constante, construída acima da camada de regularização por questões técnico-econômicas, reduzindo as tensões e deformações transmitidas para a fundação. Normalmente o material que constitui esta camada possui características geotécnicas superiores ao subleito e inferiores ao material usado na camada da sub-base (DNIT, 2006).
A camada da sub-base está situada sobre a camada de regularização e serve como um complemento da base, uma vez que possui as mesmas funções mecânicas dentro da estrutura formada pelas multicamadas (DNIT, 2006).
Base é a camada de pavimentação destinada a resistir aos esforços verticais oriundos dos veículos, distribuindo-os adequadamente à camada subjacente, executada sobre a sub-base, subleito ou reforço do subleito devidamente regularizado e compactado (DNIT, 2010).
A camada de revestimento asfáltico é a camada destinada a receber diretamente a ação do rolamento imposta pelos veículos. Deve promover uma boa comodidade e segurança aos usuários (DNIT, 2006).
______________________________________________________________________________ Na construção da camada de revestimento um dos principais materiais empregados é o concreto asfáltico (CA), também denominado como concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ). Trata-se do produto da mistura convenientemente proporcionada de agregados de vários tamanhos e cimento asfáltico, ambos aquecidos em temperaturas previamente escolhidas, em função da característica viscosidade-temperatura do ligante (BERNUCCI et al., 2008).
2.3 CARACTERIZAÇÃO DAS MISTURAS ASFÁLTICAS 2.3.1 Misturas Asfálticas
Na maioria dos pavimentos brasileiros usa-se como revestimento uma mistura de agregados minerais, de vários tamanhos, podendo também variar quanto à fonte, com ligantes asfálticos que, de forma adequadamente proporcionada e processada, garanta ao serviço executado os requisitos de impermeabilidade, flexibilidade, estabilidade, durabilidade, resistência à derrapagem, resistência à fadiga e ao trincamento térmico, de acordo com o clima e o tráfego previsto para o local (BERNUCCI et al., 2008).
Pode-se se classificar as misturas asfálticas, segundo sua composição granulométrica em misturas abertas ou fechadas. Abertas são aquelas que apresentam granulometria com predomínio de agregados grossos de um mesmo tamanho (de 1” a 1 1/2” são chamados de macadame). Já as misturas fechadas apresentam uma granulometria contínua, assim os agregados finos preenchem os vazios deixados pelos agregados grossos (BOEIRA, 2011).
No Brasil o tipo mais empregado (primeiro grupo) é concreto asfáltico (CA) também denominado concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ).
As misturas a quente distinguem-se em vários tipos de acordo com o padrão granulométrico empregado e as exigências de características mecânicas, em função da aplicação a que se destina (BERNUCCI et al., 2008). Trata-se do produto da mistura convenientemente proporcionada de agregados de vários tamanhos e cimento asfáltico, ambos aquecidos em temperaturas previamente escolhidas, em função da característica viscosidade-temperatura do ligante (BERNUCCI et al., 2008).
O segundo grupo de misturas são os pré-misturados a frio que empregam as emulsões asfálticas como ligante para envolver os agregados.
_____________________________________________________________________________________________
2.3.2 Deformação Permanente
A deformação permanente também chamada de afundamento de trilha de roda, apesar de ser indesejada, é um defeito estrutural muito comum nos pavimentos asfálticos do Brasil (GUIMARÃES, 2009).
Motta (1991) diz que, Nijboer foi pioneiro, em 1948, na análise das deformações plásticas das misturas asfálticas, levando em consideração a influência das propriedades mecânicas da massa sobre a deformação. Chegou à conclusão que vários tipos de revestimentos podem ser obtidos e otimizados variando a dosagem e os materiais que se utilizam na mistura evitando, assim, problemas ligados à deformação permanente.
Sousa et al. (1994) referem-se que as deformações permanentes se devem à densificação da mistura devido à aplicação repetida das cargas dos veículos pesados e à ação das tensões de cisalhamento (corte) que ocorrem junto da superfície dos pavimentos, na região de atuação do tráfego. A partir do pressuposto concluíram que a deformação permanente que ocorre no revestimento se deve ao fenômeno de deformação plástica por cisalhamento sem variação de volume, causada por tensões de cisalhamento existentes junto ao limite da área de contato entre os pneus dos veículos pesados e o pavimento.
A deformação permanente em misturas asfálticas pode ser causada por densificação e/ou movimento lateral (deformação por cisalhamento) desse material sob a ação do tráfego. As Figuras 3(a) e 3(b) exemplificam essas deformações. Na densificação, observa-se a diminuição do volume e, portanto, o aumento da densidade. Já na deformação por cisalhamento, observam-se mudanças de forma na camada asfáltica sem alteração volumétrica considerável (BROWN et al., 2001).
Figura 3 - Deformação permanente em pavimentos asfálticos.
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(b) Cisalhamento do revestimento asfáltico Fonte: Ferreira (2015)
Os autores Motta (1991) e Huang (1993) dizem que a causa da ocorrência da deformação permanente é devida à ação das cargas do tráfego sobre a superfície dos pavimentos que gera uma deformação total na estrutura. Esta deformação total é composta pelas parcelas de deformação resiliente ou reversível e deformação permanente, ou plástica, onde todas as camadas do pavimento contribuem com alguma parcela para a deformação permanente total da estrutura. Logo, para estimar-se a profundidade dos afundamentos de trilha de roda, é necessário se conhecer o mecanismo de deformação de cada um dos materiais componentes das camadas do pavimento.
Joliet e Mallot (2000) afirmam que a deformação permanente é um processo que ocorre de forma simultânea, envolvendo a deformação viscosa do ligante asfáltico e deformação plástica da estrutura mineral da mistura asfáltica. Tanto o ligante como o agregado exerce papel fundamental no desempenho da mistura asfáltica. O ligante com o resultado de sua consistência e reologia, e o agregado com as forças de fricção interna entre suas partículas (ângulo de atrito interno advindo do entrosamento).
Pesquisas realizadas na pista experimental da AASHTO, na década de 60, permitiram entender não somente as parcelas de influência das camadas do pavimento na deformação permanente do revestimento do pavimento, mas também do tempo. Foi observado que o acúmulo de deformação no primeiro ano de testes foi maior que o acúmulo do segundo (HIGHWAY RESEARCH BOARD1 (1962) apud COELHO (1996)).
1
HBR – Highway Research Board. The AASHO Road Test. Highway Research Board, Special Report
_____________________________________________________________________________________________
Eisenmann e Hilmer²2 (1987) apud Coelho (1996) verificaram que a taxa de aumento das profundidades das trilhas de roda são maiores no inicio do processo de solicitação da camada asfáltica e que, com o tempo, a taxa tende para um valor aproximadamente constante após um determinado número de solicitações ser atingido. Estes autores salientam que, quando o afundamento em trilha de rodas ocorre somente na camada asfáltica, este se deve à fluência do material (ou fluxo de deformação) podendo apresentar ou não variação de volume.
Alguns fatores podem contribuir para o afundamento da trilha de rodas, como os relacionados ao agregado (granulometria, tamanho, forma, textura, angularidade dos agregados graúdos e miúdos, e geometria e propriedade do fíler), ao ligante asfáltico (Grau de Desempenho (PG), teor e afinidade entre o asfalto e agregado) e aos condicionantes externos (clima, carga de tráfego, velocidade do tráfego) (NASCIMENTO, 2008).
A FHWA (Federal Highway Administration) cita que os agregados respondem por 80% da responsabilidade de prevenir este tipo de defeito, Afundamento de Trilha de Roda (ATR), representado pela Figura 4. Isso mostra a importância de se ter um esqueleto mineral bem dimensionado na mistura asfáltica e a importância de se estudar as propriedades dos agregados (ONOFRE, 2012).
Figura 4 - Influência do agregado e do ligante no comportamento de misturas asfálticas.
Fonte: Adaptada de FHWA (2002)
2 EISENMANN, J.; HILMER, A. Influence of Wheel load and inflation pressure on the rutting effect at
asphalt-pavements – Experiments and theoretical investigations. In: International Conference on the Structural
______________________________________________________________________________ Para Borges (2014) a influência dos agregados não está ligada simplesmente à origem mineralógica destes. Já Zelelew (2008) afirma que a propriedade física dos agregados como a forma, angularidade (arredondamento) e a textura superficial ajudam na resistência do pavimento quanto à deformação. A textura superficial do agregado desempenha um papel significativo na resistência, principalmente nas camadas de asfalto mais espessas e em climas mais quentes (MAHMOUD & BAHIA, 2004).
Bernucci et al. (2010) relaciona a dependência da resistência à deformação plástica em materiais asfálticos ao esqueleto pétreo. Considerando que a temperatura também é um fator determinante nesta propriedade, então fica evidente a participação do ligante asfáltico devido ao seu comportamento termo-sensível.
2.3.3 Dosagem das Misturas Asfálticas
Um bom projeto de mistura asfáltica deve considerar os seguintes fatores que correspondem às principais causas de defeitos nos pavimentos: deformação permanente, trincas por fadiga, trincas a baixas temperaturas, além dos efeitos da umidade e do envelhecimento (ASPHALT INSTITUTE, 1995).
A seguir estão descritos os métodos de dosagem das misturas asfálticas.
2.3.3.1 Dosagem Marshall
A metodologia Marshall é normatiza no Brasil pelo DNER-ME 043/95 e consiste em um método de compactação por impacto. Para a execução do método são considerados os seguintes parâmetros: densidade, volume de vazios, relação entre vazios do agregado mineral preenchido por betume e valores empíricos de estabilidade e fluência (ALMEIDA, 2016). A fluência é a deformação sofrida pelo corpo-de-prova quando submetido a uma tensão constante (ROHDE, 2007).
Para a execução do método deve-se compactar três amostras, mistura de agregado e ligante asfáltico, em um molde cilíndrico aquecido com 50 ou 75 golpes por face do corpo-de-prova com um soquete de 4.540 g, caindo de uma altura de 457,2 mm, com cinco teores de ligante. Em seguida, os corpos de prova são pesados no ar e imersos em água para obtenção de parâmetros volumétricos (ALMEIDA, 2016).
_____________________________________________________________________________________________
A especificação para a moldagem é dada pelo DNIT ES-031/06, os valores estão apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Valores de parâmetros de dosagem de mistura asfáltica
Características Camada de rolamento Camada de ligação
Vv (%) 3 – 5 4 – 6 RBV (%) 75 – 82 65 – 72 Estabilidade mín. (75 golpes) 500 kgf 500 kgf RT mín. a 25ºC 0,65 MPa 0,065 MPa Fonte: DNIT ES – 031/06 2.3.3.2 Dosagem Superpave
A metodologia Superpave foi desenvolvida com o propósito de substituir o método de compactação por impacto por um método que produzisse misturas com a mesma densidade ou índice de vazios (ALMEIDA, 2016).
Esta dosagem utiliza um compactador giratório SUPERPAVE (CGS) que aplica energia por amassamento, foi adotado por pesquisadores do SHRP, pois compacta a amostra da mistura asfáltica mais próxima à forma de compactação feita em campo. Os parâmetros utilizados são: ângulo externo de rotação de 1,25º ± 0,02º, ângulo interno de rotação de 1,16º, taxa de 30 RPM; tensão de compressão aplicada no corpo de prova de 600 kPa e capacidade de reproduzir corpos-de-prova com diâmetro de 100 mm e 150 mm (CAVALCANTI, 2010). Os requisitos volumétricos para a dosagem Superpave são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2 – Parâmetros volumétricos para Superpave
Tráfego, N AASHTOx106
Densidade relativa requerida, %Gmm
Vazios do agregado mineral
(VAM), % mínima Relação betume-vazios (RBV),% Relação pó-betume efetivo (RPB), % Tamanho máximo nominal
(TMN), mm
Nini Ndes Nmax 37,5 25 19 12,5 9,5 4,75 70 – 80 0,6 – 1,2
<0,3 ≤91,5 96 ≤98,0 11 12 13 14 15 16 65 – 78 0,6 – 1,2 0,3 a 3 ≤90,5 96 ≤98,0 11 12 13 14 15 16 65 -75 0,6 – 1,2 3 a 10 ≤89,0 96 ≤98,0 11 12 13 14 15 16 65 -75 0,6 – 1,2 10 a 30 ≤89,0 96 ≤98,0 11 12 13 14 15 16 65 -75 0,6 – 1,2 >30 ≤89,0 96 ≤98,0 11 12 13 14 15 16 65 -75 0,6 – 1,2 Fonte: AASHTO M 323-13
______________________________________________________________________________ Segundo Cavalcanti (2010) o SUPERPAVE se distingue em relação aos métodos de Marshall e Hveem pelo tipo de compactação, pois é utilizado um compactador giratório, que aplica uma energia de amassamento. É utilizada atualmente nas Universidades e Departamentos de estradas dos Estados Unidos e no Brasil em algumas obras federais e universidades.
Bahia e Faheem (2007) consideram a dosagem superpave limitada, pois ela considera parâmetros volumétricos na definição do projeto de mistura. Contudo, são as propriedades mecânicas que estão mais relacionadas com o desempenho dos revestimentos asfálticos, fato pelo qual foram desenvolvidos diferentes tipos de testes para caracterizar o seu comportamento em termos de deformação permanente.
2.4 ANÁLISE DOS MÉTODOS DE DESEMPENHO PARA ENSAIOS MECÂNICOS
Os ensaios mecânicos são utilizados para análise dos parâmetros de desempenho das misturas asfálticas. São comumente realizados em laboratório e estabelecidos com o objetivo de reproduzir as condições de campo, embora impliquem às vezes na adoção de elevados fatores de ajuste campo-laboratório.
Os ensaios mecânicos dividem-se em ensaios que avaliam a resistência e a deformabilidade das misturas. Os ensaios empregados para deformações permanentes estão apresentados a seguir.
2.4.1 Resistência À Tração Estática Por Compressão Diametral (RT)
O ensaio de compressão diametral foi desenvolvido pelo Prof. Fernando Luiz Lobo Carneiro na década de 50, conhecido internacionalmente como Brazilian Test, este ensaio mede a resistência à tração por compressão diametral (RT) onde é determinada a máxima tensão suportada por corpos de prova cilíndricos de concreto de cimento Portland através de solicitações estáticas. Neste ensaio de ruptura o corpo de prova é posicionado horizontalmente e a carga é aplicada progressivamente, com velocidade de deformação de 0,8 ± 0,1 mm/s. O ensaio é determinado pela aplicação de um esforço no corpo de prova que é dado por duas forças de compressão concentradas e diametralmente opostas em um cilindro, que geram, ao longo do diâmetro solicitado, tensões de tração uniformes perpendicular a esse diâmetro (MEDINA e MOTTA, 2005).
_____________________________________________________________________________________________
De acordo com Medina (1997) este procedimento foi adotado para misturas betuminosas pelo pesquisador Schmidt, da Chevron Research Company, em 1972, na Califórnia. Consistia na aplicação de uma carga por compressão diametral em amostras cilíndricas do tipo Marshall, induzindo um estado de compressão na direção vertical e de tração na horizontal.
Pinto (1991) afirma que em 1948 Frocht deduziu expressões para as tensões de resultantes em um corpo de prova cilíndrico devido a uma carga concentrada de compressão. Apresentado na Figura 5, onde mostra o esquema de tensões resultantes, logo abaixo na Figura 6 também traz a representação dos esforços na amostra e plano de ruptura típica por tração.
Figura 5 - Esquema de tensões em um ponto qualquer, durante o ensaio de compressão diametral.
Fonte: Pinto (1991)
Figura 6 - Representação dos esforços e do plano de ruptura típica no ensaio de Resistência à Tração
______________________________________________________________________________ A Norma DNIT 136/2010 apresenta como finalidade o ensaio de resistência à tração por compressão diametral onde, determina a resistência à tração de corpos de prova cilíndricos de misturas. Que se baseia na aplicação de uma carga estática de compressão distribuída ao longo de duas geratrizes opostas, a fim de se obter as tensões de tração através do diâmetro horizontal, perpendicularmente à carga.
A resistência à tração (RT) é calculada através Equação 1:
𝑅𝑇 =
100π.D.h2F(1)
Onde:
RT: resistência à tração, em MPa; F: carga de ruptura, em N;
D: diâmetro do corpo-de-prova, em cm; h: altura do corpo-de-prova, em cm.
A Norma DNIT 031/2006-ES especifica o valor mínimo de RT para concretos asfálticos de 0,65 MPa. Bernucci et al. (2008) apresentam valores típico de RT para misturas asfálticas a quente recém-moldadas ou logo após a construção em pista situando-se em média entre 0,5 MPa e 2,0 MPa. O envelhecimento da mistura em pista causa um aumento no valor de RT, o que nem sempre é uma vantagem, pois também perde sua flexibilidade, ou seja, aumenta o módulo de resiliência (BERNUCCI et al., 2008).
A Tabela 3 mostra resultados de ensaios realizados por diferentes autores que são utilizados hoje como referência para utilização em projetos (COLPO, 2014).
Diversos resultados de ensaios resistência a tração por compressão diametral para diferentes misturas asfálticas, conforme a Tabela 4 contribui para a identificação do melhor ligante a ser utilizado em projeto (BERNUCCI et al., 2008).
_____________________________________________________________________________________________ Tabela 3- Valores de referência para RT
Autores CAP Faixa Teor de ligante
(%) RT (MPa) Desvio Soares et al. (1999) 30/45 50/60 C C 5,8 5,9 1,09 0,89 0,07 0,06 Soares et al. (2000) 30/45 50/60 B B 5,2 5,3 0,82 0,73 0,03 0,12 Aldigueri e Bernucci (2002) 30/45 50/60 AMP C - AAUQ 9,0 9,0 9,0 1,39 1,20 0,98 - - - Vasconcelos, Soares e Leite
(2003) 50/60 C 6,3 0,91 0,06 Mourão (2003) 50/60 AMP SMA SMA 6,5 6,5 0,79 0,90 - - Ferreira, Bernucci e Moura
(2004) 20 AMP SMA SMA 6,8 6,6 1,82 1,10 0,06 0,05
ABCR (2008) 30/45 50/70 Faixa IV-b (Asphalt Institute) 5,0 5,2 1,77 1,53 - -
Fonte: Adaptado de Prudente (2015) Tabela 4 – Valores de MR e RT
Características Faixa (publicação) MR RT MR/RT
Concreto asfáltico – CAP 30/45 Concreto asfáltico – CAP 50/60 Concreto asfáltico – CAP 85/100
Faixa C (Soares et al., 2000)
3.628 3.033 1.488 1,09 0,89 0,44 3.346 3.425 3.376 Concreto asfáltico – CAP 30/45
Concreto asfáltico – CAP 50/60 Concreto asfáltico – CAP 85/100
Faixa B (Soares et al., 2000)
5.105 4.425 1.654 0,82 0,73 0,21 6.201 6.062 7.755 Misturas densas (moldadas em usina)
Concreto asfáltico 1 Concreto asfáltico 2 AAUQ 1
AAUQ 2
Faixa C (Rede Asfalto, 2005)
2.651 2.297 1.825 1.683 0,85 0,67 0,52 0,72 3.119 3.428 3.510 2.338 Misturas densas (moldadas em laboratório)
Concreto asfáltico 1 Concreto asfáltico 2 AAUQ 1
AAUQ 2
Faixa C (Rede Asfalto, 2005)
3.609 3.026 1.786 1.682 1,26 1,23 1,02 0,81 2.864 2.460 1.751 2.077 SMA – 12,5mm SMA – 9,5mm (Vasconcelos, 2004) 4.747 3.367 0,98 0,81 4.844 4.106 continua
______________________________________________________________________________ Concreto asfáltico de referência
Com 0% fresado Com 10% fresado Com 30% fresado Com 50% fresado Faixa C (Lima, 2003) 3.200 4.776 7.524 8.901 1,20 1,30 1,30 1,60 2.667 3.674 5.787 5.663 Concreto asfáltico de referência
Asfalto-borracha (úmido) Agregado-borracha (seco) Faixa C (Pinheiro, 2004) 3.647 2.393 2.452 0,97 0,50 0,80 3.760 4.786 3.065
Fonte: Bernucci et al. (2008)
Bruxel (2015) utilizou os seguintes ligantes asfálticos na sua pesquisa: CAP 50/70 sem adição de polímeros é o mais utilizado no país, CAP 60/85 com adição de polímero SBS, CAP TLA proveniente da modificação do ligante asfáltico convencional com 25% de asfalto natural da jazida localizada na ilha de Trinidad e Tobago, e o CAP TLA Flex com adição de polímero SBS.
Nos ensaios de resistência a tração realizada por Colpo (2014) foi utilizada dois tipos de misturas asfálticas produzidas e empregada pela Concepa em obras de duplicação, reconstrução e reparo da BR 290/RS. As misturas utilizadas foram CAP modificado por polímero e adição de TLA – CA e CAP modificado por polímero – (COMPAFLEX 60/85) – CA – E.
O ensaio de RT realizado por Prudente (2015) foi realizado com três diferentes tipos de ligante asfáltico: ligante convencional CAP 30/45, ligante convencional CAP 50/70 e asfalto modificado por polímero CAP 60/85E (AMP), com aproximadamente 3% de polímero. O AMP foi escolhido para servir de parâmetro de comparação com os ligantes em termos de deformação permanente. A autora desenvolveu uma comparação para as misturas entre duas faixas granulométricas, B e C, dosadas no teor ótimo para o ligante mais comum, CAP 50/70, verificando qual apresentou melhor desempenho. Em seguida foi realizada uma comparação de resultados entre as misturas com a Faixa C, dosadas no teor ótimo para os três ligantes proposto com o objetivo de identificar qual mistura teria melhor comportamento, em relação ao ligante.
Na pesquisa realizada por Cezaro Junior (2008) foram realizados ensaios de RT com um ligante convencional CAP 20 e três ligantes asfálticos modificados: CAP 50/70 +15% BMP (adição de borracha moída de pneus), CAP 50/70 +4% SBS (adição de polímero SBS) e ligante asfáltico comercial modificada pela adição de polímeros - CAP 50/70 + polímero B. Os corpos-de-prova foram ensaiados a 25ºC e 35ºC de temperatura.
_____________________________________________________________________________________________
A ABCR (2008) realizou um estudo comparativo entre os ligantes asfálticos CAP 30/45 e CAP 50/70 com o objetivo de auxiliar tecnicamente as suas filiadas, professores e estudantes. Para a execução do ensaio duas amostras asfálticas foram preparadas com 1,5 % de cal hidratada e outras duas não. O ensaio de RT seguiu o método DNER-ME 138/94, realizado a 25ºC.
Os resultados obtidos no ensaio de resistência à tração estão apresentados nas tabelas no Capítulo 4 – Resultados.
2.4.2 Módulo de Resiliência (MR)
De acordo com Balbo (2007), o módulo de resiliência é a capacidade de um material não conservar deformações após ser interrompida a ação da carga.
O parâmetro rigidez tornou-se essencial para o dimensionamento de pavimentos, após o desenvolvimento dos métodos mecanísticos, que compatibilizam a solicitação do tráfego com dados de resistência dos materiais (FRANCO, 2007).
O Módulo de Resiliência MR é análogo ao módulo de elasticidade E, sendo ambos definidos como relação entre e. A diferença é que o módulo de resiliência é determinado em ensaio de carga repetida. Valores de pico das tensões e das deformações recuperáveis que ocorrem nos ensaios são usados para calcular a constante elástica resiliente mesmo que a tensão de pico ou deformação recuperável não ocorra ao mesmo tempo em um teste dinâmico deste tipo. Apesar de este enfoque negligenciar os efeitos da perda de energia, o uso da resposta resiliente parece dar resultados satisfatórios em cálculos de ede um pavimento. (BARKSDALE et al,1997).
No Brasil embora o parâmetro módulo complexo por compressão axial (|E*|) e o módulo de resiliência obtido por compressão diametral (MR) representam a relação dinâmica σ/ε, os resultados de cada um, obtidos em ensaios realizados sobre misturas asfálticas idênticas, apresentam valores diferentes (TONIAL, 2001).
O módulo de resiliência é uma condição importante na determinação do dimensionamento racional dos pavimentos, estando intimamente ligado ao projeto da mistura. É a razão entre a
______________________________________________________________________________ tensão de tração e a equivalente deformação específica recuperável, quando as misturas asfálticas são submetidas a carregamentos atuantes de curta duração (NÚÑEZ et al. 2007).
Segundo Brito (2006) e Medina e Motta (2005), os estudos sobre a resiliência dos materiais usados em pavimentação foram iniciados na década de 1930 com Francis Hveem, que foi o primeiro a relacionar as deformações recuperáveis (resiliência) com as fissuras surgidas nos revestimentos asfálticos. Foi Hveem quem adotou o termo “resiliência”, definindo-o como “energia armazenada num corpo deformado elasticamente, a qual é devolvida quando cessam as tensões causadoras das deformações”.
O módulo de resiliência foi introduzido por Francis Hveem em 1955, como forma de melhor representar o módulo de elasticidade para materiais sob carregamentos cíclicos. De acordo com a teoria da elasticidade, tanto o MR quanto o módulo de elasticidade possuem o mesmo conceito, sendo ambos representados pela razão entre a tensão e a deformação. A motivação para a diferenciação entre estes, foram às discrepâncias entre a ordem de grandeza de deslocamentos dos materiais utilizados em pavimentação em relação aos materiais elásticos comumente utilizados na engenharia (BRITO, 2006).
No Brasil o ensaio de módulo de resiliência (MR) em misturas asfálticas é padronizado através da norma DNIT-ME 135/2010 e não faz distinção da deformação especifica instantânea da deformação total, como é feito pela norma ASTM D 4123/82. Estas deformações permitem a obtenção de dois valores de MR: um denominado módulo de resiliência instantâneo e o outro total. O módulo instantâneo é calculado com base na deformação horizontal que ocorre na fase de descarregamento de um ciclo de carga-descarga, e o módulo de resiliência total, usando a deformação total recuperável, que inclui a deformação recuperável instantânea e a dependente do tempo durante a fase de descarregamento (MARQUES, 2004).
Segundo a Norma DNIT 135/2010 - ME o ensaio é realizado aplicando um carregamento repetidas vezes no plano diametral vertical de um corpo de prova cilíndrico regular de dimensões aproximadas de 100 mm de diâmetro e 63,5 mm de altura para o caso de amostras moldadas no compactador Marshall.
São arquitetados pulsos repetitivos de carga a 01 Hz, com tempo de aplicação de 0,1 segundo, seguindo de um repouso de 0,9 segundos. Mesmo a norma brasileira de DNIT 135/2010
_____________________________________________________________________________________________
– ME, determinação do módulo de resiliência de misturas asfálticas, não faça objeções quanto ao formato de curva de aplicação do pulso, o NCHRP-285 (2004) propõe que o pulso de aplicação, buscando simular o efeito da passagem dos pneus sobre o pavimento, deve ser recorrente e obedecer a uma função de onda conhecida como Haversine function, exemplificada na Figura 7.
Bernucci et al. (2008) diz que esta aplicação de carga gera uma tensão de tração transversalmente ao plano de aplicação da carga. Procede-se então, utilizando sensores LVDTs (linear variable differential transformers) alinhados ortogonalmente entre si, a medição do deslocamento diametral recuperável na direção horizontal correspondente a tensão gerada. A Figura 8 mostra a duração do tempo de carregamento e repouso.
Figura 7 - Pulso de carregamento com função de onda Haversine
Fonte: NCHRP – Report 285.
Figura 8 - Duração dos tempos de carregamento e repouso
______________________________________________________________________________ A curva de deslocamento contra o tempo após aplicação de um pulso possui um trecho inicial elástico com pico definido e outro trecho predominantemente viscoso, que se apresenta graficamente através de uma maior variação de inclinação de uma reta tangente hipotética, tomada a partir do pico da deformação elástica. Essa deformação viscosa então se encerra com a aplicação do próximo ciclo de carregamento. Para a determinação do módulo de resiliência, as parcelas de deformação permanente do corpo de prova devem ser desconsideradas, desta forma toma-se apenas a parcela de deslocamento recuperável da amostra, dada pela interseção das tangentes aos dois trechos da curva. A Figura 9 representa a curva deslocamento x tempo (MEDINA E MOTTA, 2015).
Figura 9 - Representação gráfica dos pulsos de carga e dos deslocamentos durante o ensaio de MR
Fonte: Bernucci et al. (2008).
Para Bernucci et al. (2008) o cálculo de MR não representa portanto um parâmetro exclusivamente elástico, pois este varia tanto com o tempo de aplicação da carga quanto com o tempo de repouso, estando seu cálculo associado também a deformações viscoelásticas que são parcialmente contabilizadas como deformações elásticas.
Segundo Brito (2006), os procedimentos realizados pela AASHTO TP31-96, o protocolo LTPP/FHWA P07 e a pesquisa NCHRP 1-28 e 1-28A, especificam o cálculo dos deslocamentos a partir de algoritmos matemáticos, baseados em regressões lineares e/ou hiperbólicas associadas a retas tangentes, por meio de rotinas sistemáticas de cálculo, apresentados nas Figuras 10, 11 e 12. A recomendação da Norma norte-americana ASTM D-4123 não menciona nenhum algoritmo
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matemático que dê suporte ao entendimento da forma como se calculam os deslocamentos resilientes, existe somente referência gráfica conforme apresentada na Figura 13.
Figura 10 - Algoritmo utilizado pela AASHTO TP 31-96
Fonte: Modificado de Brito, 2006.
Figura 11 - Algoritmo utilizado do LTPP - Protocolo P07
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Figura 12 - Algoritmo utilizado no NCHRP - 1-28 e 1-28A
Fonte: Modificado de Brito, 2006.
Figura 13 - Deslocamentos totais, deslocamentos resilientes instantâneos e deslocamentos resilientes totais.
Fonte: Adedimila (1975) apud Brito (2006).
A norma norte-americana ASTM D-4123 não possui alto grau de detalhamento inerente principalmente ao algoritmo que calcula o módulo de resiliência. A primeira versão desta norma é de 1982, com posterior substituição em 1995 a qual ainda orienta os ensaios na atualidade, aguardando-se, todavia, no meio acadêmico-científico, sua reformulação que se encontra em tramitação e gera expectativas de uma maior amplitude da referida norma (BRITO, 2006).
