ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE MISTURAS ASFÁLTICAS ATRAVÉS DA DOSAGEM MARSHALL E ENSAIOS MECANÍSTICOS

1

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

CAP LUIZ THIAGO OLIVEIRA LOPES CAP FELIPE DA ROSA BICO

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE MISTURAS ASFÁLTICAS ATRAVÉS DA DOSAGEM MARSHALL E ENSAIOS MECANÍSTICOS

Rio de Janeiro 2016

Relatório de Projeto de Final de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Fortificação e Construção do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para aprovação na referida disciplina.

Orientador:

Prof. Antonio Carlos Rodrigues Guimarães, D.Sc.

2 c2016

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270

Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento.

É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) orientador(es).

625.8 Lopes, Luiz Thiago Oliveira

L864a Análise do comportamento de misturas asfálticas através da dosagem marshall e ensaios mecanísticos / Luiz Thiago Oliveira Lopes; Felipe da Rosa Bico; orientado por Antonio Carlos Rodrigues Guimarães – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2016.

93p. : il.

Projeto de Fim de Curso (PROFIC) – Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2016.

1. Curso de Engenharia de Fortificação e Construção – Projeto de Fim de Curso. 2. Asfalto. 3.Pavimentação. I. Bico, Felipe da Rosa. II. Guimarães, Antonio Carlos Rodrigues. III. Título. IV.

Instituto Militar de Engenharia.

3

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

CAP LUIZ THIAGO OLIVEIRA LOPES CAP FELIPE DA ROSA BICO

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE MISTURAS ASFÁLTICAS ATRAVÉS DA DOSAGEM MARSHALL E ENSAIOS MECANÍSTICOS

Relatório de Projeto de Final de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Fortificação e Construção do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para aprovação na referida disciplina.

Orientador: Prof. Antonio Carlos Rodrigues Guimarães, D.Sc.

Aprovada em 29 de setembro de 2016 pela seguinte Banca Examinadora:

4

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar à Deus pela saúde e ânimo, fundamentais para conclusão deste trabalho;

Em segundo, à família pelo suporte emocional e apoio;

Ao Maj Guimarães pelas orientações, sugestões e constante incentivo;

Ao Maj Aredes por todo apoio e orientações.

5 SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES...8

LISTA DE TABELAS...11

LISTA DE SÍMBOLOS...13

LISTA DE SIGLAS...14

1. INTRODUÇÃO ... 17

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 20

2.1 Ligantes asfálticos: características gerais ... 20

2.1.2 Asfalto modificado por polímero ... 20

2.1.3 Ensaios determinantes para asfaltos modificados por polímeros ... 21

2.2 Agregados: características gerais ... 21

2.2.1 Basaltos ... 22

2.2.2 Distribuição granulométrica e graduação dos agregados ... 23

2.3 Tipos de misturas asfálticas ... 25

2.3.1 Concreto Asfáltico (CA) ... 29

2.4 Dosagem Marshall ... 30

2.4.1 Definindo os parâmetros físicos e volumétricos do sistema ligante agregado ... 30

2.4.2 Obtenção do teor de projeto pelo método Marshall ... 35

2.5 Considerações sobre propriedades mecânicas das misturas asfálticas e ensaios mecanísticos ... 39

2.5.1 Ensaio de resistência à tração estática por compressão diametral ... 41

2.5.2 Ensaio de fadiga por compressão diametral ... 42

2.5.3 Ensaio de Módulo Resiliente ... 43

2.6 Software SisPav ... 44

6

3. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS E MÉTODOS ... 46

3.1 Agregados ... 46

3.1.1 Granulometria ... 48

3.1.2 Densidade e absorção ... 49

3.1.3 Ensaio de Adesividade ... 51

3.1.4 Ensaio Treton ... 51

3.1.5 Ensaio de abrasão Los Angeles ... 52

3.1.6 Resumo dos resultados obtidos na caracterização dos agregados ... 53

3.2 Ligante ... 54

3.2.1 Penetração... 54

3.2.2 Ponto de amolecimento ... 55

3.2.3 Recuperação elástica ... 55

3.2.4 Viscosidade Brookfield ... 56

3.2.5 Ponto de fulgor ... 57

3.2.6 Ensaio de durabilidade RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) ... 58

3.2.7 Resumo dos resultados obtidos na caracterização do CAP 60/85 ... 58

4. DOSAGEM DAS MISTURAS ASFÁLTICAS ... 60

4.1 Enquadramento granulométrico ... 60

4.2 Separação de material ... 62

4.3 Mistura asfáltica ... 63

4.4 Compactação Marshall ... 64

4.5 Volumetria ... 65

4.6 Ensaio de estabilidade e fluência... 66

4.7 Obtenção de gráficos ... 67

5. ENSAIOS MECANÍSTICOS / SisPav... 70

7

5.1 Resistência à tração estática ... 70

5.2 Vida de fadiga ... 71

6. RESULTADOS E ANÁLISES ... 73

6.1 Parâmetros Volumétricos ... 73

6.2 Resultados da mistura T1 ... 73

6.3 Resultados da mistura T2 ... 76

6.4 Resultados da mistura T3 ... 78

6.5 Comparação entre as misturas ... 79

6.5.1 Comparação dos ensaios mecanísticos ... 81

6.5.1.1 Vida de Fadiga ... 82

6.6 Utilização do software SisPav...83

6.6.1 Resultado da mistura T1...86

6.6.2 Resultado da mistura T2...87

6.6.3 Resultado da mistura T3...88

7. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 89

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 91

8

LISTAS DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1.1 – Ranking de qualidade das rodovias dos países da América do Sul, CNT

(2015) ... 17

Figura 2.1 – Basalto de Araguari – MG. ... 22

Figura 2.2 – Curvas granulométricas, BERNUCCI et al (2008). ... 24

Figura 2.3 – Curvas granulométricas pelo SUPERPAVE, BERNUCCI et al (2008). ... 25

Figura 2.4 – Graduações de diferentes tipos de misturas densa, VASCONCELOS (2004). ... 27

Figura 2.5 – Graduações de diferentes tipos de misturas abertas, VASCONCELOS (2004). ... 27

Figura 2.6 – Graduações de diferentes tipos de misturas descontínuas, VASCONCELOS (2004). ... 28

Figura 2.7 – Corpos de prova de diversas misturas, BERNUCCI et al (2008). ... 28

Figura 2.8 – Sistema de componentes de uma mistura asfáltica, BERNUCCI et al (2008)...31

Figura 2.9 – Volumes considerados na determinação da densidade real, VASCONCELOS (2004)...33

Figura 2.10 – Sistema para determinação da Gmm ... 33

Figura 2.11 – Ilustração dos vazios entre os filmes de ligantes na Gmm, VASCONCELOS (2004). ... 34

Figura 2.12 – Volumetria de uma mistura asfáltica, BERNUCCI et al (2008). ... 35

Figura 2.13 – Compactador Marshall e corpos de prova. ... 36

Figura 2.14 – Prensa Marshall para determinação da estabilidade e fluência... 37

Figura 2.15 – Especificações do método Marshall, BERNUCCI et al (2008). ... 38

Figura 2.16 – Determinação do teor de projeto, VASCONCELOS (2004). ... 39

Figura 2.17 – Comportamento dos ensaios de fluência e relaxação, LASKES (1998) apud NASCIMENTO (2015). ... 40

Figura 2.18 – Tensões atuantes no CP durante o ensaio brasileiro, DNER-ME 138/94. 41 Figura 2.19 – Deformações sob carregamentos repetidos, HUANG (1993). ... 43

Figura 2.20 – Ensaio triaxial de carga repetida e modelo composto, VIEIRA (2015). .... 44

9

Figura 2.21 – Tela principal do SisPav ... 45

Figura 3.1 Quarteamento da amostra de campo ... 46

Figura 3.2 Exemplo de agregados com diferentes formas, BERNUCCI et al (2008). ... 47

Figura 3.3 Amostra de brita 1 utilizada na pesquisa ... 47

Figura 3.4 Peneirador Mecânico Automático. ... 48

Figura 3.5 Curvas granulométricas dos agregados utilizados nesta pesquisa. ... 49

Figura 3.6 Etapas do ensaio de densidade e absorção de agregado graúdo ... 50

Figura 3.7 Ensaio de densidade real do agregado miúdo...50

Figura 3.8 Agregado Graúdo após ensaio de Adesividade ... 51

Figura 3.9 Ensaio Treton...52

Figura 3.10 Material retido na peneira de 1,7 mm. .. ... 52

Figura 3.11 Etapas do ensaio de abrasão Los Angeles ... 53

Figura 3.12 Ensaio de Penetração ... 54

Figura 3.13 Ensaio de Ponto de Amolecimento ... 55

Figura 3.14 Recuperação Elástica ... 55

Figura 3.15 Viscosímetro Brookfield ... 56

Figura 3.16 Curva de Viscosidade versus Temperatura ... 56

Figura 3.17 Ensaio de Ponto de Fulgor em vaso Cleveland ... 57

Figura 3.18 Especificação de Asfalto Polímero, BERNUCCI et al (2008)... 58

Figura 4.1 Traço T1 ... 60

Figura 4.2 Traço T2 ... 61

Figura 4.3 Traço T3 ... 61

Figura 4.4 Traço T1 SUPERPAVE ... 62

Figura 4.5 Agregados para CPs = 1200g - %CAP ... 63

Figura 4.6 Etapas para mistura asfáltica. ... 63

Figura 4.7 Compactação das amostras ... 64

Figura 4.8 Extração do CP ... 64

10

Figura 4.9 Medições com paquímetro ... 65

Figura 4.10 Sequência de ensaio G

. ... 65

Figura 4.11 Banho-maria à 60 °C ... 66

Figura 4.12 Medida de Estabilidade e Fluência...66

Figura 4.13 Gráficos obtidos na dosagem Marshall para o traço T2 ... 69

Figura 5.1 Ensaio de Resistência à Tração por compressão diametral. ... 70

Figura 5.2 Gráfico teor de asfalto versus RT obtido com traço T2. ... 71

Figura 5.3 Ensaio de Fadiga. ... 72

Figura 6.1 Teor de asfalto versus Vv e RBV da mistura T1 ... 74

Figura 6.2 Teor de asfalto versus Vv e RBV da mistura T1. ... 74

Figura 6.3 Teor de asfalto versus Vv e RBV da mistura T1. ... 75

Figura 6.4 Teor de asfalto versus Vv e RBV da mistura T2. ... 76

Figura 6.5 Teor de asfalto versus Vv e RBV da mistura T2. ... 77

Figura 6.6 Teor de asfalto versus Vv e RBV da mistura T2. ... 77

Figura 6.7 Teor de asfalto versus Vv e RBV da mistura T3. ... 78

Figura 6.8 Teor de asfalto versus Vv e RBV da mistura T3 ... 79

Figura 6.9 Estabilidade das misturas avaliadas neste estudo...81

Figura 6.10 Resistência à Tração das Misturas avaliadas neste estudo...81

Figura 6.11 Total de CPs (33 unidades) para ensaios com teor de projeto...82

Figura 6.12 Curva de fadiga das misturas deste estudo (∆σ x N

)...82

Figura 6.13 Estrutura modelada no SisPav, AREDES (2016)...84

Figura 6.14 Valores médios diários, trafego bidirecional, do estudo de caso...85

Figura 6.15 Dados do tráfego no SisPav...85

Figura 6.16 Camadas no SisPav...86

Figura 6.17 Parâmetros da mistura T1...86

Figura 6.18 Parâmetros da mistura T2...87

Figura 6.19 Parâmetros da mistura T3...88

11

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Principais tipos de misturas a quente, USACE (2000) apud VASCONCELOS

(2004)...26

Tabela 2.2 - Especificações das faixas do DNIT, DNIT 031/2004 – ES...29

Tabela 3.1 - Granulometria dos agregados utilizados nesta pesquisa . ...48

Tabela 3.2 - Resultados da densidade e absorção dos agregados graúdos...50

Tabela 3.3 - Resultado da densidade real do agregado miúdo...51

Tabela 3.4 - Resultado de perda ao choque...52

Tabela 3.5 - Resultado de abrasão Los Angeles...53

Tabela 3.6 - Resultado dos ensaios de caracterização dos agregados...54

Tabela 3.7 - Resumo dos resultados de caracterização do CAP 60/85...59

Tabela 4.1 - Especificações de Serviço, DNIT 031/2004 – ES...67

Tabela 6.1 - Resultados da DMT e G

para mistura T1...73

Tabela 6.2 - Percentual do teor de projeto da mistura T1...75

Tabela 6.3 - Percentual do teor de projeto da mistura T2...78

Tabela 6.4 - Percentual do teor de projeto da mistura T3...79

Tabela 6.5 - Parâmetros finais da dosagem Marshall desta pesquisa . ...80

Tabela 6.6 Parâmetros das camadas, GALHARDO (2015) apud AREDES (2016)...84

Tabela 6.7 Espessura mínima dimensionamento DNIT (2006)...85

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ABREVIATURAS

ATR - Afundamento de trilha de roda

CA - Concreto Asfáltico

CAP - Cimento asfáltico de petróleo

CBUQ - Concreto Betuminoso Usinado à Quente

CP - Corpo de prova

DMT - Densidade máxima teórica

LDM - Linha de densidade máxima

MR - Módulo de resiliência

NBR - Norma Brasileira

RBV - Relação betume-vazios

RC - Resistência à compressão

RT - Resistência à tração indireta RTFOT - Rotating Thin Film Oven Test

SHRP - Strategic Highway Research Program

SisPav - Sistema de Dimensionamento de Pavimentos Superpave - Superior Performing Asphalt Pavement

TC - Tensão controlada

TMN - Tamanho máximo nominal

VAM - Vazios do agregado mineral

13 SÍMBOLOS

d - Diâmetro da peneira

D - Tamanho máximo do agregado

 - Diferença de deformações

 - Diferença de tensões

ϵ - Deformação média

ϵ

- Deformação permanente acumulada

ϵ

- Deformação específica resiliente

G

- Densidade aparente da mistura asfáltica G

- Densidade máxima medida da mistura

N

- Vida de fadiga

P - Porcentagem de material que passa na peneira de diâmetro d

P

- Carga máxima

P

- Carga de contato

R

- Coeficiente de determinação

RBV - Relação betume-vazios

V

- Vazios com ar da mistura

V

- Volume de vazios com ar



- Massa Específica da Água

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LISTA DE SIGLAS

AASHTO American Association of State Highway and

Transportation Officials

ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e

Biocombustíveis

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland ASTM American Society for Testing and Materials

COPPE/UFRJ Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa de Engenharia

CNT Confederação Nacional do Transporte

DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem

DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes

IME Instituto Militar de Engenharia

15 RESUMO

Este trabalho teve como objetivo analisar o comportamento de misturas asfálticas através da dosagem Marshall e ensaios mecanísticos.

Primeiramente, realizou-se uma revisão bibliográfica abordando os seguintes tópicos: agregados e ligantes usados em pavimentação, tipos de misturas asfálticas, métodos de dosagem Marshall, propriedades e ensaios mecanísticos.

Em seguida, executou-se a caracterização dos agregados e ligante, verificando se os mesmos atendiam as especificações estabelecidas em norma. De posse desses dados, foram escolhidas três graduações granulométricas enquadradas dentro da faixa C do DNIT para posterior comparação de desempenho das misturas.

Para cada mistura, foi obtido o teor de ligante de projeto utilizando o método Marshall de dosagem de misturas asfálticas. Após isso, com o teor de projeto, realizou-se a confecção de novos corpos de prova que foram utilizados para a execução de ensaios mecanísticos (Resistência à Tração Indireta por Compressão Diametral, Ensaio de Fadiga e Ensaio de Módulo de Resiliência).

De posse dos resultados dos ensaios, usou-se o software SisPav para realizar o dimensionamento da camada de revestimento e estimativa da vida útil, considerando as três misturas estudadas. Para as demais camadas constituintes do pavimento, tráfego solicitante e demais condições de contorno, utilizou-se os dados de um estudo de caso.

Por fim, realizou-se a comparação de desempenho das três misturas asfálticas através de todos os parâmetros coletados na pesquisa.

Para este estudo foram moldados 89 corpos de prova, onde 56 deles foram utilizados

na obtenção do teor ótimo de ligante e 33, para confirmação do teor projeto e ensaios

mecanísticos.

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ABSTRACT

This study aimed to analyze the behavior of asphalt mixtures by Marshall dosage and mechanistic studies.

First, there was a literature review covering the following topics: aggregates and binders used in flooring, types of asphalt mixtures, Marshall dosing methods, properties and mechanistic studies.

Then performed the characterization of aggregates and binder, verifying if they met the specifications set out in the standard. With this data, It was chosen three size graduations framed within the DNIT C range for comparison of performance of mixtures.

To each mixture, there was obtained project binder content using the Marshall method dosing asphalt mixtures. After that, with the design content, there was the preparation of new specimens that were used for performing mechanistic assays (Indirect Tensile Diametral Compression, Fatigue Testing and resilient modulus test).

With the results of the tests, we used the SisPav software for the design of the coating layer and the estimated useful life, considering the three mixtures studied. For other constituent layers of the pavement, requesting traffic and other boundary conditions, we used the data from a case study.

Finally, the performance comparison of the three asphalt mixtures was conducted using all parameters listed in the search.

For this study were molded 89 specimens, where 56 of them were used to obtain the

optimal content of binder and 33 to confirm the project content and mechanistic studies.

17 1. INTRODUÇÃO

Devido a razões históricas, verifica-se a importância do modal rodoviário na matriz de transporte de cargas brasileira, conforme indicado na pesquisa desenvolvida pela Confederação Nacional do Transporte, CNT (2015) o modal rodoviário apresenta 61% de participação, ferroviário 20,7%, aquaviário 13,6%, dutoviário 4,2% e aéreo 0,4%. Mais relevante ainda é a sua participação na matriz de transporte de passageiros, liderando com 95%, esses números mostram a relevância das rodovias brasileiras na integração do sistema de transportes e desenvolvimento socioeconômico do país.

Em virtude desse desequilíbrio histórico, o modal rodoviário, que é o ideal para o deslocamento de cargas e passageiros para curtas e médias distâncias, também tem tido grande emprego no transporte de longas distâncias, nas quais necessita de rodovias que apresentem condições ótimas para a sua utilização, vale citar outro estudo desenvolvido pela CNT, Entraves Logísticos ao Escoamento de Soja e Milho, o qual aponta um prejuízo de R $ 3,8 bilhões na exportação desses grãos devido às condições das rodovias. Se propagarmos o mesmo raciocínio para os outros insumos poderemos mensurar o enorme impacto na economia do país. Ainda no contexto econômico, segundo REIS (2002), uma rodovia em mal estado de conservação irá acarretar a mais 58% no consumo do combustível, 38% no custo de manutenção dos veículos, 38% no custo do frete, dobrar o tempo de viagem e elevar o número de acidentes em 50%.

Na contramão do exposto por esses dados, a situação da malha rodoviária brasileira não está boa, a pesquisa citada aponta dados do Fórum Econômico Mundial, relatório divulgado em setembro de 2015, que colocam as rodovias brasileiras na 121ª posição, entre 140 países analisados.

Figura 1.1 – Ranking de qualidade das rodovias dos países da América do Sul, CNT (2015).

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Somado a esses fatos, temos o aumento das solicitações nos pavimentos já construídos, provocadas por veículos cada vez maiores e mais pesados, cabendo à engenharia rodoviária desenvolver tecnologias e formas de gerência que contribuam para a redução do custo total do transporte no país, por exemplo, dimensionando pavimentos com modelos mais acurados que proporcionem durabilidade, capacidade de suportar as cargas do tráfego, conforto e segurança aos usuários das rodovias.

Projetos de revestimento bem executados contribuem para a melhoria desse quadro, pois partem da seleção e caracterização de materiais que atendam as condições de projeto (diminuição dos defeitos funcionais e estruturais, como o trincamento por fadiga), dosagem dos materiais para obtenção do teor ótimo (diminuição das deformações permanentes) e dimensionamento da espessura através de métodos que englobem abordagens empírico- mecanísticas (espessura adequada para uma solicitação N prevista ao longo da vida útil do pavimento).

Assim, este trabalho tem o objetivo geral de estudar o comportamento de misturas asfálticas, utilizando três graduações de agregados, enquadradas na faixa C do DNIT e um ligante fornecido. Nesse processo foram aplicados o método de dosagem Marshall e ensaios mecanísticos que fornecem um comportamento mais acurado do material e permitem seu dimensionamento e estimativa da vida útil do pavimento, fornecendo também parâmetros de comparação entre as misturas formadas pelo ligante e agregados das três graduações.

Para atingir este objetivo geral, os seguintes objetivos específicos serão buscados:

- Realizar ensaios de caracterização dos agregados (Granulometria, Densidade dos agregados e miúdos, Absorção, Adesividade, Treton, Lameralidade e Abrasão Los Angeles) e do ligante (Penetração, Ponto de Amolecimento, Recuperação Elástica, Ponto de Fulgor, Viscosidade Brookfield e ensaios no resíduo após RTFOT), permitindo verificar se suas propriedades atendem às normas;

- Obtenção do teor de ligante de projeto das misturas, para três graduações de agregados dentro da faixa C do DNIT, utilizando o método Marshall de dosagem, além da verificação com ensaios de Estabilidade e Fluência, dos corpos de prova compactados;

- Realização dos ensaios mecanísticos de Resistência a Tração Estática por

Compressão Diametral, Ensaio de Fadiga por Compressão Diametral e Ensaio de Módulo

Resiliência, feitos em corpos de prova com o teor de ligante de projeto;

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- Dimensionamento da camada de pavimento e estimativa da vida útil, utilizando os dados oriundos dos ensaios mecanísticos no software SisPav, empregando os dados das outras camadas (base, sub-base e subleito) bem como o N de projeto advindos de um estudo de caso;

- Realizar comparações e tirar conclusões relativas ao desempenho das misturas nas três graduações.

Para atingir os objetivos propostos, este trabalho será dividido em sete capítulos. No segundo capítulo é realizada uma revisão bibliográfica sobre o assunto onde são apresentadas as características gerais dos agregados e ligantes utilizados na pavimentação, o método de dosagem de misturas Marshall, propriedades e ensaios mecanísticos e uma visão geral sobre o software SisPav.

No terceiro capítulo são expostos os resultados da caracterização dos materiais empregados. No quarto capítulo são apresentados os resultados oriundos das dosagens das misturas empregando o método Marshall. No quinto capítulo resultados dos ensaios mecanísticos, o dimensionamento da espessura do revestimento e a estimativa da vida útil utilizando o software SisPav. No sexto capítulos são expostos os resultados e análises observados no programa experimental. No sétimo capítulo são apresentadas as conclusões e observações para trabalhos futuros.

20 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 LIGANTES ASFÁLTICOS: CARACTERÍSTICAS GERAIS

De acordo com BERNUCCI et al (2008), o asfalto utilizado na pavimentação é um ligante proveniente da destilação fracionada do petróleo e possui propriedades como ser um adesivo termoviscoplástico (embora o comportamento termoviscoelástico seja comumente mais assumido), impermeável à água e pouco reativo, embora sofra envelhecimento devido a um processo de oxidação lenta pelo contato com ar e água. O CAP, é solúvel em benzeno, tricloroetileno ou em bissulfeto de carbono.

2.1.2 ASFATO MODIFICADO POR POLÍMERO

Com a expansão comercial nos eixos rodoviários que ligam os grandes centros urbanos, corredores com cargas canalizadas, e a verificação de um aumento nos esforços aplicados no pavimento onde caminhões com eixos cada vez mais pesados atuam. Somado a isso, as condições climáticas adversas, formando um cenário que demandou pela busca de novas tecnologias de ligantes que pudessem fornecer uma resposta mais eficiente em termos de durabilidade e desempenho. Dentro desse contexto surgem os ligantes modificados por polímeros.

MANO (1985, 1991) apud BERNUCCI et al (2008) define macromoléculas e polímeros como:

Macromoléculas: são moléculas gigantescas que resultam do encadeamento de dez mil ou mais átomos de carbono, unidos por ligações covalentes, podendo ser naturais (madeira, borracha, lã, asfalto etc.) ou sintéticas (plásticos, borrachas, adesivos etc.);

Polímeros: são macromoléculas sintéticas, estruturalmente simples, constituídas de unidades estruturais repetidas em sua longa cadeia, denominadas monômeros.

Uma gama variada de estudos tem sido feita visando o emprego de polímeros aos ligantes, visando melhorias no comportamento com relação a deformação permanente, trincas por fadiga, trincas térmicas, dano por umidade e dano por envelhecimento. Sendo empregados materiais como elastômeros, plastômeros, borracha de pneu, etc.

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2.1.3 ENSAIOS DETERMINANTES PARA ASFALTOS MODIFICADOS POR POLÍMEROS

a) Recuperação elástica, ou retorno elástico

O ensaio é feito utilizando-se o dutilômetro com molde modificado, na temperatura de 25ºC, possuindo uma velocidade de estiramento de 5cm/min. Quando se atinge o comprimento de 200mm, o ensaio é interrompido sendo o fio seccionado no seu ponto médio e após uma hora une-se as partes e verifica-se quanto houve de retorno em relação ao tamanho original.

b) Ponto de Amolecimento

O ensaio de ponto de amolecimento expressa uma medida empírica na qual o asfalto amolece, sob condições especiais, atingido uma condição de escoamento padronizada em uma temperatura medida. Uma bola de aço padronizada é colocada numa amostra de asfalto que está sendo colocada dentro de um anel metálico. Todo o conjunto está imerso em água em um béquer e submetido a um aquecimento de 5ºC/min. É feita a marcação da temperatura no instante em que a esfera toca a placa do fundo do béquer.

Pelas normas brasileiras esse ensaio é classificatório, sendo empregado na especificação de asfaltos modificados e na estimativa da suscetibilidade térmica.

2.2 AGREGADOS: CARACTERÍSTICAS GERAIS

Segundo Woods (1960) apud BERNUCCI (2008), agregado é uma mistura de pedregulho, areia, pedra britada, escória ou outros materiais minerais usados em combinação com o ligante para formar concreto, argamassa etc. Na definição da ABNT NBR 9935/2005, o agregado é definido como um material sem forma, ou volume definido, geralmente inerte, de forma, de dimensões e propriedades adequadas para produção de argamassas e concreto. O agregado, nos seus aspectos como forma (angularidade), textura (rugosidade) e granulometria, atua de forma significativa nas propriedades da mistura.

Desse modo, percebe-se que o agregado escolhido para compor o esqueleto pétreo

do concreto asfáltico deve apresentar propriedades que o levem a suportar as tensões

atuantes na superfície do pavimento e no seu interior. No laboratório, são feitos uma série

22

de ensaios que visam predizer o comportamento do agregado escolhido quando estiver na condição de serviço, nesses ensaios são consideradas informações sobre sua composição mineralógica e química, o tipo de rocha, seu grau de alteração, sua granulometria, sua tendência quanto à abrasão, fratura, e sua capacidade de aderir ao ligante asfáltico.

2.2.1 BASALTOS

Neste trabalho foi utilizado o basalto fornecido pelo 11º Batalhão de Engenharia de Construção, 11º BEC, localizado na cidade de Araguari-MG. O basalto pode ser descrito como uma rocha básica de granulação fina e usualmente vulcânica.

Sobre o conceito de “básico”, aqui não estamos empregando o conceito usual da química, mas está relacionado à carga superficial do agregado. Os átomos dispersos na rede cristalina do mineral exercem atração sobre os gases, líquidos e sólidos que entram em contato com a sua superfície, ocorrendo o fenômeno da adsorção química, que interfere fortemente na adesividade entre ligante e agregado. Rochas classificadas como básicas tendem a apresentar uma melhor adesividade ligante-agregado, propriedade que foi confirmada pelo ensaio de adesividade, (BERNUCCI, 2008).

Figura 2.1 – Basalto de Araguari – MG.

Quanto a sua formação o basalto é classificado como uma rocha ígnea, são aquelas

que se solidificam em estado líquido apresentando granulação, composição química e

forma de ocorrência muito variadas. Por ser do tipo extrusivo, proveniente de fortes fluxos

23

de lava para a superfície da Terra, os basaltos apresentam uma granulação fina, podendo apresentar material vítreo em pequenas quantidades. Graças ao processo de extrusão, os basaltos podem apresentar grande ocorrência da forma lamelar, medida pelo ensaio de índice de forma. Essa característica não é propícia para o intertravamento dos grãos no esqueleto pétreo, levando a um maior índice de vazios.

A composição química dos basaltos é muito constante, variando o teor de SiO

entre 45 e 55%. Devido a esse teor de sílica ele também recebe a classificação de rocha básica.

Os teores de Cálcio, Ferro e Magnésio são elevados e o de Potássio é pequeno.

2.2.2 DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA E GRADUAÇÃO DOS AGREGADOS

Conforme BERNUCCI et al (2008), a distribuição granulométrica na composição do esqueleto pétreo do concreto asfáltico, é uma das principais características, pois tem influência direta em quase todas as propriedades importantes como rigidez, estabilidade, durabilidade, permeabilidade, trabalhabilidade, deformação permanente e resistência à fadiga. Sua determinação é usualmente feita por meio da análise por peneiramento, DNER ME 083/98.

A distribuição em graduações é um dos fatores determinantes na composição das diversas misturas. Passaremos a descrever suscintamente as graduações:

1- Agregado de graduação bem graduada, ou densa, apresenta uma distribuição dos grãos nas peneiras de forma contínua, sua curva é a que mais se aproxima à de densidade máxima;

2- Agregado de distribuição aberta, apresenta uma distribuição contínua, porém existe uma escassez na fração do material fino (menor que 0,075mm), ocasionando um mau preenchimento dos espaços entre os grãos maiores, acarretando um maior Volume de Vazios, que irá implicar em um maior teor de ligante, caso não seja feita uma correção, esta foi a distribuição granulométrica apresentada no trabalho;

3- Agregado de graduação uniforme, apresenta a maior parte dos seus agregados passantes em uma faixa bastante estreita, resultando dessa forma em uma curva íngreme;

4- Agregados com graduação descontínua, ou em degrau, apresentam um patamar

nas frações intermediárias, apresentam poucos agregados intermediários, e uma

graduação muito propensa à segregação.

24

Figura 2.2 – Curvas granulométricas, BERNUCCI et al (2008).

A metodologia SUPARPAVE emprega uma apresentação diferente, na qual a

percentagem passante do agregado na malha da peneira está no eixo y, e no eixo x temos

o tamanho da malha elevada a uma potência n, usualmente n=0,45. Segundo essa

apresentação teremos a distribuição granulométrica de densidade máxima aparecendo em

uma linha reta que parte da origem até o diâmetro máximo do agregado. Os “pontos de

controle” dessa metodologia foram empregados no presente trabalho com o foco de serem

utilizados em estudos futuros.

25

Figura 2.3 – Curvas granulométricas pelo SUPERPAVE, BERNUCCI et al (2008).

2.3 TIPOS DE MISTURAS ASFÁLTICAS

Nos pavimentos flexíveis são utilizados como revestimento uma camada formada por agregados minerais distribuídos dentro de uma graduação granulométrica, envolvidos por um “teor de projeto” de um ligante, dessa forma, para a camada de revestimento busca- se assegurar requisitos como impermeabilidade, flexibilidade, estabilidade, durabilidade, resistência à fadiga e ao trincamento. Dessa forma, surge a necessidade de estabelecer uma seleção de materiais que apresentem essas características e que sejam compatíveis com as outras camadas do pavimento, essa seleção de materiais denominaremos como

“mistura”.

As misturas asfálticas apresentam vários tipos de classificação, passaremos a citar algumas:

1- Quanto a fabricação: misturas usinadas (fabricadas em usinas específicas) ou tratamento superficial (preparadas na própria pista);

2- Quanto a temperatura do ligante: usinadas a quente (uso de CAP) ou a frio (uso de EAP);

3- Quanto a distribuição granulométrica, para misturas usinadas a quente:

26

a. Misturas densas- tendem a apresentar um menor volume de vazios no esqueleto mineral, pois o espaço entre os agregados maiores é preenchido com finos (Concreto Asfáltico, large stone e Areia Asfalto Usinada a Quente AAUQ);

b. Misturas abertas- apresentam um esqueleto mineral com muitos espaços vazios interconectados, portanto se trona drenante, permitindo a percolação da água através dos vazios (Camada Porosa de Atrito, CMPA, e base permeável tratada com asfalto);

c. Misturas descontínuas- grãos de maior dimensão em quantidade dominante, formando um esqueleto mineral mais resistente a deformação permanente, devido ao contato entre os agregados graúdos (convencionais, Intermediate Stone Content, e Stone Matrix Asphalt, SMA).

Tabela 2.1 – Principais tipos de misturas a quente, USACE (2000) apud VASCONCELOS

(2004).

27

Figura 2.4 – Graduações de diferentes tipos de misturas densa, VASCONCELOS (2004).

Figura 2.5 – Graduações de diferentes tipos de misturas abertas, VASCONCELOS

(2004).

28

Figura 2.6 – Graduações de diferentes tipos de misturas descontínuas, VASCONCELOS (2004).

Figura 2.7 – Corpos de prova de diversas misturas, BERNUCCI et al (2008).

29 2.3.1 CONCRETO ASFÁLTICO (CA)

Caso apresente uma boa dosagem de ligante-agregado o concreto asfáltico se caracteriza como uma mistura com bom desempenho em todos aspectos já citados e caso a graduação seja bem graduada o teor de ligante para recobrir as partículas não será muito elevado. Após a compactação, temos para a camada de rolamento, um volume de vazios em torno de 3% a 5%, esse volume de vazios deve ser deixado pois do contrário a fluência com as cargas irá se tornar mais significativa.

O seu teor de ligante gira em torno de 4,5% a 6%, sendo influenciado pela forma e massa específica dos agregados e a viscosidade do ligante, podendo sofre variações em torno desses teores (fato que ocorreu neste trabalho, possivelmente devido a forma lamelar do basalto e a baixa viscosidade do CAP 60-85, que ocasiona dificuldade para preencher os espaços vazios entre agregados). A Relação Betume Vazios se apresenta na ordem de 75% a 82%. A norma DNIT 031/2004, preconiza um valor mínimo de estabilidade Marshall de 500 Kgf, para uma energia de 75 golpes por face do corpo de prova, e resistência a tração por compressão diametral de mínima de 0,65Mpa a 25ºC.

Nesta pesquisa utilizamos o CA, especial quanto ao ligante asfáltico, modificado por polímeros e enquadramos dentro dos requisitos granulométricos apresentados pela Faixa C do DNIT 031/2004, segundo VASCONCELOS (2004) as misturas na Faixa C apresentam maior resistência e valores da razão entre módulo de resiliência (MR) e resistência à tração (RT) mais próximos de 3.000.

Tabela 2.2 – Especificações das faixas do DNIT, DNIT 031/2004 – ES.

30 2.4 DOSAGEM MARSHALL

A dosagem de uma mistura asfáltica pode ser definida como a determinação de um

“teor de ligante de projeto”, através de procedimentos normatizados, para uma faixa granulométrica pré-definida. O teor de projeto depende do processo de compactação, energia de compactação e temperatura, na qual a mistura será submetida, e o próprio tipo de mistura. Esses procedimentos normatizados visam simular as condições de compactação “in situ” e ao longo tempo vários processos foram desenvolvidos como:

impacto, amassamento e vibração. No presente trabalho, nos concentraremos na compactação por impacto que é a base do processo Marshall.

No começo do século 20, com uma maior disponibilidade do asfalto manufaturado, houve um aumento no número de veículos e por consequência houve uma busca por parte dos engenheiros de produzirem especificações técnicas que levassem a produção de rodovias com menor custo e maior durabilidade. Nesse contexto, os métodos de dosagem mais usados para misturas asfálticas foram os métodos Hveem e Marshall.

O método Marshall foi desenvolvido durante a 2ª Guerra Mundial, tinha o objetivo de atingir a proporção entre ligante e agregados capaz de resistir aos esforços provocados pelas rodas de aeronaves militares. Seu processo de compactação por impacto apresentou algumas variações, no Brasil a DNER 043/95 preconiza uma energia de 75 golpes por face do corpo de prova, sendo o soquete e a prensa padronizados na referida norma.

Atualmente, o teor de projeto obtido pelo método Marshall é baseado em parâmetros volumétricos, que devem ser atendidos dentro de um intervalo estipulado em norma, como o volume de vazios (Vv) e a relação betume vazios (RBV). Os passos para a sua obtenção passaremos a descrever a seguir.

2.4.1. DEFININDO OS PARAMETROS FÍSICOS E VOLUMÉTRICOS DO SISTEMA LIGANTE AGREGADO

Como o método de dosagem Marshall utiliza-se de parâmetros volumétricos faz-se

necessário definirmos alguns conceitos relativos à interação entre ligante e agregados:

31

Figura 2.8 – Sistema de componentes de uma mistura asfáltica, BERNUCCI et al (2008).

Da figura 2.8 percebemos que o ligante efetivo não preenche totalmente todos os poros do agregado e os diversos “vazios” (vazio permeável a água não preenchido com asfalto, vazio permeável a água e vazio permeável ao asfalto) são utilizados nas relações volumétricas que compõem o processo de dosagem Marshall, obtidas por meio de ensaios normatizados.

a) Massa específica aparente da mistura asfáltica compactada (Gmb)- ASTM D 1188 ou D 2726

Gmb=0,9971* ^Ms

(Msss−Msss sub)

Onde:

Ms = massa seca do corpo de prova compactado, g;

Msss=massa de corpo-de-prova compactado na condição de superfície saturada seca, g;

Msss sub = massa de corpo-de-prova compactado na condição de superfície saturada seca e posteriormente submerso em água, g;

0,9971 = massa específica da água a 25ºC, g/cm3.

32

Volumes obtidos pela diferença entre massas do corpo de prova, aferidas pela balança convencional e a balança hidrostática. A condição Msss refere-se ao corpo de prova com os poros superficiais saturados, sendo eliminado o excesso de água da superfície com uma toalha molhada.

b) Massa específica teórica máxima da mistura asfáltica (DMT)

É obtida através de uma média ponderada entre as densidades reais dos constituintes da mistura asfáltica, empregando-se para a determinação da densidade real do agregado graúdo a DNER- ME 81/98 e para o miúdo a DNER-ME 84/95, a ponderação é feita empregando-se diversos percentuais de ligante na mistura.

DMT= ^100%

(P%cap/Dcap+P%1/Da1+...+P%n/Dan)

Segundo McGENNIS (1999) apud VASCONCELOS (2004) esta equação foi apresentada no primeiro manual de dosagem do Instituto de Asfalto, onde a referida fonte deixava a critério do projetista a utilização da densidade real ou aparente, sendo que, o emprego da densidade aparente resulta num teor de vazios inferior ao real, pois não é assumida a absorção do asfalto e a adoção da densidade real também induzirá a valores errôneos, pois apresentará um volume de vazios maior conduzindo a um maior teor de ligante. No Brasil, convencionou-se a utilização da densidade real para a determinação da DMT.

Quando se utiliza o sistema de ponderação das densidades reais para o cálculo da

DMT consideramos um sistema físico onde a densidade real dos agregados é igual a razão

entre a massa da parte sólida e a soma dos volumes do agregado e vazios impermeáveis,

mas para o ligante asfáltico consideramos apenas o volume da parte sólida.

33

Figura 2.9 – Volumes considerados na determinação da densidade real, VASCONCELOS (2004).

c) Massa específica máxima medida (Gmm) - ASTM D 2041 e AASHTO T-209

Este procedimento para determinação da densidade máxima medida de misturas asfálticas utilizando-se de vácuo é aplicado, além dos Estados Unidos, no Canadá, Europa, Austrália e África do Sul. O vácuo visa expulsar os vazios entre os filmes de ligantes, fornecendo uma medida que expressa de maneira mais acurada a interação ligante- agregado, sendo um valor fisicamente mais realista do que a mera ponderação de densidades.

Na realização desse ensaio, para tamanho nominal de até 12,5mm, é pesada 1500g da mistura em um frasco de peso conhecido, em seguida, é preenchida com água á 25ºC até que toda a mistura esteja coberta. Então é aplicada uma pressão residual de 30mmHg, diferença entre 760 e 730, por um período de 15 min, no qual o frasco é posto em agitação em uma mesa agitatória, sendo o frasco completado com água e efetuada uma nova medição de peso.

Figura 2.10 – Sistema para determinação da Gmm

34

Como todo procedimento é feito na temperatura ambiente não ocorre a desestruturação dos grumos formados entre ligantes e agregados, fazendo com o que os vazios presentes entre esses dois materiais permaneçam sem alteração e o vácuo interfere apenas nos vazios entre os filmes de ligantes. A Gmm é obtida de acordo com a expressão:

Gmm= A

(A−(C−B))

Onde:

A: massa da amostra seca em ar, g;

B: massa do recipiente metálico imerso em água, g;

C: massa do recipiente + amostra imerso em água, g.

Figura 2.11 – Ilustração dos vazios entre os filmes de ligantes na Gmm, VASCONCELOS (2004).

CASTELO BRANCO (2004) apud VASCONCELOS (2004) apresenta como

vantagem do método o fato de ser desnecessária a determinação das densidades reais dos

agregados e o fato de haver o desconto dos poros preenchidos com ligantes e não com

água. Dessa forma, devido à exclusão dos vazios permeáveis não preenchidos com

ligantes, os valores obtidos no procedimento da DMT são maiores que os encontrados na

Gmm. Como a DMT não leva em conta a interação ligante-agregado, pois as densidades

são contabilizadas individualmente material por material, esse procedimento leva a um

maior teor de CAP, sendo mais vantajoso o em prego da Gmm.

35 d) Aspectos volumétricos

Como citado anteriormente, a obtenção do teor de projeto de uma mistura é um procedimento volumétrico que visa determinar a proporção ligante-agregado para que a mistura se adeque em uma faixa que apresente o comportamento desejado. Como a medida de volume, tanto para o agregado como para o ligante, é difícil de ser obtida adota- se uma simplificação que substituí o volume pela massa. Nesse contexto, destacam-se os parâmetros:

Vv, volume de vazios, que é o volume de ar na mistura asfáltica compactada;

VAM, volume de vazios nos agregados minerais, representa na mistura o que não é agregado, ou seja, vazios preenchidos com ar e asfalto;

VCB, vazios cheios com betume, o asfalto absorvido e o disponível para a mistura;

VCB/VAM, relação betume vazios.

Figura 2.12 – Volumetria de uma mistura asfáltica, BERNUCCI et al (2008).

2.4.2. OBTENÇÃO DO TEOR DE PROJETO PELO MÉTODO MARSHALL

Segundo BERNUCCI et al (2008) podemos determinar o teor de projeto de uma mistura, através do método Marshall, seguindo as seguintes etapas:

1- Determinação das massas específicas do CAP e dos agregados;

2- Seleção de uma faixa granulométrica para o projeto (no presente trabalho utilizou-

se a faixa C do DNIT);

36

3- Escolha e enquadramento da composição dos agregados dentro da faixa granulométrica de projeto, método das tentativas (não se considerando o teor de asfalto);

4- Basear-se na curva viscosidade-temperatura do ligante para determinar as temperaturas da mistura e a temperatura de compactação, a viscosidade do ligante ao ser misturado ao agregado deve estar entre 75-150 SSF (segundos Saybot Furol) e sua temperatura deve estar entre 107ºC e 177 ºC, o agregado deve estar numa temperatura entre 10ºC a 15ºC acima da do ligante, visando um melhor envolvimento do ligante ao agregado, mas não pode ultrapassar 177ºC.

A temperatura de compactação é aquela onde o ligante apresente uma viscosidade entre 125 a 155 SSF;

5- Adoção de diferentes teores de asfalto para um grupo mínimo de três corpos de prova, ideal cinco, para um teor base T% são adotados outros (T-0,5%; T-1%) e (T+0,5%, T+1%), os quais serão moldados segundo os procedimentos da norma DNER 043/95;

Figura 2.13 – Compactador Marshall e corpos de prova.

6- Realiza-se a desmoldagem dos corpos de prova e após o seu esfriamento realiza- se as medidas do diâmetro, altura, MS, Msub, Msss, obtendo-se o valor da massa específica aparente Gmb;

7- Para um dado teor de asfalto a% faz-se o ajuste do percentual em massa de cada agregado n%=n’%(100%-a%);

8- Com os valores dos percentuais em massa ajustados de cada agregado, n%, do

teor a% e das densidades reais dos ligantes e agregados é possível calcular a

DMT pela média ponderada;

37

9- Segue-se uma sequência de fórmulas volumétricas que nos levem a determinação do Vv e da RBV:

Da= ^Par

(Par−Pimerso), , Densidade aparente da mistura compactada;

VCB=Da* ^Pcap

Dcap , Vazio cheio com betume;

Vv= ^(DMT−Da)

DMT , Volume de vazios;

VAM=Vv+VCB, Vazios no agregado mineral;

RBV= ^VCB

VAM , Relação betume vazios;

10- Após as medições volumétricas os corpos de prova são colocados em banho maria por 30 min em uma temperatura de 60ºC, para em seguida serem colocadas na prensa Marshall para determinação das medidas de estabilidade (N), carga máxima que o corpo de prova resiste antes de romper, e fluência (mm), deslocamento vertical apresentado pelo corpo de prova devido a aplicação da carga máxima;

Figura 2.14 – Prensa Marshall para determinação da estabilidade e fluência.

11- Após a obtenção de todos os parâmetros volumétricos são plotadas seis curvas

em função do teor de asfalto que podem ser empregadas na determinação do

teor de projeto, através da interseção de suas condições:

38

Figura 2.15 – Especificações do método Marshall, BERNUCCI et al (2008).

12- Neste trabalho, o teor de projeto foi obtido através das médias dos valores

centrais dos teores de asfalto, determinadas pelas retas que garantiam o

atendimento das especificações de Vv e RBV.

39

Figura 2.16 – Determinação do teor de projeto, VASCONCELOS (2004).

2.5 CONSIDERAÇÕES SOBRE PROPRIEDAS MECÂNICAS DAS MISTURAS ASFÁLTICAS E ENSAIOS MECANÍSTICOS

Os ensaios de laboratório tentam representar os comportamentos mecânicos dos materiais em campo, visto que, os ensaios in situ, são de execução mais difícil, dessa forma, tenta-se reproduzir ao máximo temperatura, tempo de carregamento, níveis de tensão etc.

Devido a variabilidade das condições apresentadas em campo temos aí uma tarefa não trivial.

No Brasil, por muitos anos, o dimensionamento de pavimentos flexíveis se deu por métodos apenas empíricos, a exemplo do método do DNER, elaborado pelo engenheiro Murilo Lopes, que usa como base o CBR e as curvas de dimensionamento do USACE, mas com o aumento dos esforços demandadas por maiores cargas, viu-se a necessidade de métodos de dimensionamento mais acurados, que levassem em conta a análise de tensões e deformações em meio elástico, ocasionando uma migração para os chamados “métodos mecanísticos”. Vale salientar que os pavimentos flexíveis não são compostos de materiais puramente elásticos, de forma que apresentam dificuldades para a adoção de um método puramente mecanístico.

De fato, segundo NASCIMENTO (2015), os materiais betuminosos se diferem dos

demais materiais empregados na construção civil por apresentarem além das condições

elásticas previstas pela lei de Hooke, ligações que são influenciadas pelo tempo e

temperatura, ou seja, parcelas ditas viscosas. Segundo LAKES (1998) apud NASCIMENTO

(2015) os materiais elásticos apresentam as seguintes características:

40

a) Aplicada uma tensão constante, a deformação cresce com o tempo (fluência);

b) Aplicada uma deformação constante, a tensão diminui com o tempo (relaxação);

c) A rigidez depende da taxa de aplicação de carga;

d) Se uma carga cíclica é aplicada, ocorre histerese (uma defasagem), resultando em dissipação de energia mecânica;

e) Resiliência menor que 100%, ou seja, o material devolve menos energia do que aquela absorvida quando a tensão causadora da deformação é cessada.

Como o ligante asfáltico apresenta comportamento viscoelástico, ele se apresenta de uma forma entre o intermediário e o viscoso e o elástico, na fluência existe um acréscimo de deformação ao longo do tempo, característica viscosa, tendendo a um valor constante, característica elástica, já na relaxação, a tendência é que a tensão seja estabilizada ao longo do tempo, característica elástica, mas se verifica um decréscimo da mesma, que ocorre instantaneamente em materiais viscosos THEISEN (2006) apud NASCIMENTO (2015).

Figura 2.17 – Comportamento dos ensaios de fluência e relaxação, LASKES (1998) apud NASCIMENTO (2015).

No presente trabalho, a avaliação mecânica das misturas foi feita por meio dos

ensaios de resistência a tração por compressão diametral, fadiga por compressão diametral

a tensão controlada e módulo de resiliência.

41

2.5.1 ENSAIO DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO ESTÁTICA POR COMPRESSÃO DIAMETRAL

O ensaio também conhecido como “ensaio brasileiro”, foi desenvolvido por Lobo Carneiro com a finalidade de auferir a resistência de corpos de prova de cimento Portland quanto a tração por solicitações estáticas. Sua aplicabilidade em misturas asfálticas se dá devido ao fato que o revestimento, quando solicitado, apresenta tensões de tração nas fibras inferiores.

A normatização do ensaio encontra-se na DNER ME 138/94, mas basicamente é fundamentada numa carga de compressão distribuída ao longo de duas geratrizes opostas, que provocam um plano de ruptura ao longo do diâmetro do corpo de prova, devido a tenções de uniformes de tração perpendiculares a esse plano. Para a execução desse ensaio a norma do DNIT assume um comportamento unicamente elástico admitindo que a ruptura seja provocada unicamente pela à tensão de tração uniforme.

Figura 2.18 – Tensões atuantes no CP durante o ensaio brasileiro, DNER-ME 138/94.

A resistência a tração é obtida pela seguinte fórmula:

RT= 2𝐹

(100πDh)

Onde,

42 RT, resistência à tração, MPa;

F,carga de ruptura, N;

D, diâmetro do corpo-de-prova, cm;

h, altura do corpo-de-prova, cm.

NASCIMENTO (2015) apresenta como como crítica ao ensaio o fato que os pontos do cilindro submetidos a tração horizontal, também estão sujeitos a tensão de compressão vertical, dessa forma as deformações horizontais são devidas as combinações de tração e compressão atuantes, sendo que as expressões analíticas que modelam melhor esse efeito fogem do escopo do presente trabalho.

2.5.2 ENSAIO DE FADIGA POR COMPRESSÃO DIAMETRAL

Considerando fadiga como o processo de deterioração de uma estrutura quando submetida a processos repetidos de tensão e deformação, verifica-se que embora a carga aplicada seja muito menor que a de ruptura ela pode levar o material à ruína após repetições sucessivas.

De acordo com MOURÃO (2003) apud VASCONCELOS (2004) um carregamento dinâmico pode gerar dois efeitos principais no pavimento, são eles:

1- A flexão repetida, leva os materiais à fadiga, gerando trincamentos;

2- Compressão simples repetida, acarreta deformação permanente, gerando o afundamento por trilha de roda.

No Brasil, o ensaio de fadiga mais comum é o de tensão controlada, no qual a carga aplicada é mantida constante, gerando um aumento da deformação no ensaio que irá levar o corpo de prova a ruína. Nesse sentido MONISMITH (1958) apud VASCONCELOS (2004) definiu vida de fadiga como sendo o número total de cargas necessárias para resultar na completa fratura da amostra. MEDINA (1997) apud VASCONCELOS (2004), afirma que a carga norma aplicada deve levar a tensão de 10% a 50% da RT, tal sistema busca simular a passagem das rodas dos veículos sobre o pavimento. A vida de fadiga pode ser expressa de acordo com as equações:

N=k1( 1 σt ⁾

N=K2( 1

Δσ ⁾

43 Onde,

N, vida de fadiga;

σt, tensão de tração;

Δσ, diferença entre as tensões de compressão e tração no centro da amostra;

k1, k2, n1 e n2: constantes determinadas a partir de resultados experimentais.

2.5.3 ENSAIO DE MÓDULO RESILIENTE

Embora o Módulo Resiliente, MR, venha sendo considerado como o módulo elástico que, juntamente com o coeficiente de Poison, definem o comportamento dos materiais quando utilizada a teoria da elasticidade, SOARES e SOUZA (2003) apud NACIMENTO (2013), ressaltam que a substituição do módulo de elasticidade ,E, pelo módulo de elasticidade dinâmico, E*,ou pelo MR, em uma análise elástica linear do material impossibilita uma modelagem mais realistas dos fenômenos apresentados no campo, devido ao já citado comportamento viscoelástico do ligante, e ao fato de que os módulos resiliente e elástico não são parâmetros puramente elásticos, devido ao desenvolvimento de deformações viscoelásticas durante os ensaios.

Outra abordagem, desenvolvida por HANG (1993) apud VASCONCELOS (2004) sugere que se a carga é pequena quando comparada a resistência do material e temos um número elevado de repetições (geralmente acima de 200) a deformação sofrida pelo material é quase totalmente recuperável, podendo ser aproximada como elástica. Verifica- se que a maior parte das deformações sofridas pelo material ocorre nos estágios iniciais da aplicação da carga, e ao longo do desenvolvimento do ensaio, com o aumento das repetições essas deformações diminuem.

Figura 2.19 – Deformações sob carregamentos repetidos, HUANG (1993).

44

O MR em misturas asfálticas pode ser definido como a relação da tensão de tração aplicada repetidamente no plano diametral de uma amostra cilíndrica e a deformação específica recuperável, numa dada temperatura.

MR= ( 𝜎𝑑 𝜖𝑑 ^)t

No caso do emprego, para a determinação do MR, do ensaio triaxial de carga repetida, o MR será expresso em função da tensão de confinamento e da tensão vertical, além de parâmetros característicos do material estudado, modelo composto.

MR=k1* σ3 ^𝑘2 *σd ^𝐾3

Figura 2.20 – Ensaio triaxial de carga repetida e modelo composto, VIEIRA (2015).

2.6 SOFTWARE SISPAV

O SisPav, Sistema de Dimensionamento de Pavimentos, é um software que segundo AREDES (2016), tem como princípio uma abordagem mecanístico empírica, que se baseia em ensaios mecânicos e observações direcionadas à realidade nacional. O programa tem como principais parâmetros de influência no dimensionamento o tráfego (carga), o ambiente (clima) e a estrutura do pavimento (materiais envolvidos).

Na composição da estrutura do pavimento, devemos lançar para cada camada o tipo

de material utilizado, à espessura da camada (pré dimensionada pelo método do DNER), o

45

módulo resiliente (advindo do ensaio), o coeficiente de Poison e a aderência entre as camadas. Outro dado de entrada será o N de projeto atuante no pavimento, obtido através de dados estatísticos da localidade.

Segundo FRANCO (2007) apud AREDES (2016), no tocante a confiabilidade dos resultados ressalta-se os aspectos probabilísticos dos parâmetros empregados no projeto de uma rodovia, sendo assim é definida confiabilidade como a probabilidade da serventia ser mantida num nível adequado durante a vida útil do projeto.

No presente trabalho, o SISPAV será utilizado, com alimentação dos dados advindos dos ensaios mecanísticos, para dimensionar e estimar a vida útil de um revestimento constituído pelas misturas de CA com as três granulometrias estudadas no trabalho, fornecendo assim importantes parâmetros para conclusões acerca do desempenho das misturas

Figura 2.21 – Tela principal do SISPAV

46

3 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAS E MÉTODOS

Neste capítulo, será abordado a caracterização dos materiais utilizados na pesquisa, através de uma breve descrição dos métodos utilizados, bem como, dos resultados obtidos nos ensaios com agregado e ligante asfáltico. Para isso, será apresentado, primeiramente, todo o processo de caracterização dos agregados, seguido da caracterização do ligante.

Vale ressaltar que todos os ensaios foram executados do Laboratório de Ligantes e Misturas Betuminosas do Instituto Militar de Engenharia (IME).

3.1 AGREGADOS

Os agregados utilizados neste estudo, comercialmente chamados de Brita 1, Brita 0 e Pó de Pedra, são oriundos de uma jazida basáltica da cidade de Araguari – MG.

Na faze de caracterização dos mesmos, foram adotados procedimentos preconizados pela normatização do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT).

Primeiramente, realizou-se a redução da amostra de campo buscando a maior representatividade possível da mesma. Para isso, seguindo a norma DNER-PRO 199/96, utilizou-se o separador mecânico para agregado graúdo e miúdo com, no mínimo, doze calhas de igual abertura conforme figura abaixo.

Figura 3.1 Quarteamento da amostra de campo.

A partir de então, realizou-se a separação de material para execução dos seguintes

ensaios: Granulometria, Densidade dos agregados graúdos e miúdos, Absorção,

Adesividade, Treton e Abrasão Los Angeles.

47

Os ensaios para a determinação da densidade e absorção foram realizados utilizando a granulometria original dos agregados, já nos ensaios Treton e abrasão Los Angeles, utilizou-se de granulometrias específicas que serão abordadas no desenvolver do trabalho.

Embora não se tenha executado o ensaio previsto na norma AASHTO M323-13, AREDES (2016), devido à falta do equipamento necessário, percebeu-se visualmente uma acentuada lameralidade das partículas.

A Figura 3.2 e Figura 3.3 mostram a similaridade do material utilizado nesta pesquisa com o agregado dito lamelar em BERNUCCI et al (2008).

Figura 3.2 Exemplo de agregados com diferentes formas, BERNUCCI et al (2008).

Figura 3.3 Amostra de brita 1 utilizada na pesquisa.

48 3.1.1 GRANULOMETRIA

Conforme norma DNER-ME 083/98, determinou-se a composição granulométrica dos agregados graúdos e miúdos, utilizando-se das peneiras de 1” (25 mm) até a de Nº 200 (0,075mm), conforme a Figura 3.4.

Figura 3.4 Peneirador Mecânico Automático.

Após análise minuciosa, percebeu-se que agregados de dimensão passante em determinada peneira, ainda se mantinham retidos na mesma pela agitação automática, optando-se pela realização do processo de peneiramento mecânico manualmente.

Os resultados obtidos encontram-se na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 Granulometria dos agregados utilizados nesta pesquisa.

PENEIRAS % PASSANTE

pol. mm BRITA 1 BRITA 0 PÓ DE PEDRA

1" 25 100,0 100,0 100,0

3/4" 19 100,0 100,0 100,0

1/2" 12,7 39,2 100,0 100,0

3/8" 9,5 3,7 89,8 100,0

4 4,8 0,7 29,9 98,7

10 2 0,4 4,2 61,4

40 0,42 0,3 2,7 15,4

80 0,18 0,2 2,3 8,1

200 0,075 0,2 1,9 4,2

49

Na Figura 3.5 estão representadas as curvas granulométricas dos agregados utilizados neste trabalho.

Figura 3.5 Curvas granulométricas dos agregados utilizados nesta pesquisa.

3.1.2 DENSIDADE E ABSORÇÃO

Seguindo a norma DNER-ME 081/98, determinou-se a densidade e absorção do agregado graúdo.

Algumas etapas do processo são descritas na Figura 3.6: (a) lavagem da amostra sobre malha de 4,8 mm; (b) imersão da amostra por um período de (24 ± 4) h, agitando algumas vezes para expulsar as bolhas de ar; (c) secagem superficial do agregado para pesagem na condição superfície seca saturada (SSS); (d) pesagem hidrostática.

(a) (b) (c)

- 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0.05 0.50 5.00 50.00

P as s an te (%)

Peneiras (mm)

Brita 1 Brita 0 Pó de Pedra

miúdo graúdo

n° 80 n° 40 n° 10 n° 4 3/8"1/2"3/4" 1"

n° 200

50 (d)

Figura 3.6 Etapas do ensaio de densidade e absorção de agregado graúdo.

Com os valores obtidos para massa do agregado, ao ar, seco em estufa, massa, ao ar, na condição saturada superfície seca e massa submersa em água determinou-se os resultados, conforme Tabela 3.2.

Tabela 3.2 Resultados da densidade e absorção dos agregados graúdos.

PARÂMETROS Brita 1 Brita 0

Densidade Real (g/cm

) 2,97 2,96 Densidade Aparente (g/cm

) 2,89 2,86

Absorção (%) 0,8% 0,8%

Com a norma DNER-ME 084/95, determinou-se a densidade do agregado miúdo.

Algumas etapas do processo estão descritas na Figura 3.7: (a) picnômetros preenchidos com amostra seca; (b) picnômetros preenchidos com amostra seca + água destilada; (c) aquecimento do picnômetro com conteúdo até a fervura por no mínimo 15 minutos.

(a) (b) (c) Figura 3.7 Ensaio de densidade real do agregado miúdo.

Com os valores obtidos para massa do picnômetro vazio e seco, massa do

picnômetro mais amostra, massa do picnômetro mais amostra e água e massa do

picnômetro cheio de água, determinou-se os resultados conforme Tabela 3.3.