XXIX Congresso Nacional de Pesquisa em Transporte da Anpet OURO PRETO, 9 a 13 de novembro de 2015

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ANÁLISE ELÁSTICO-LINEAR DO EFEITO DO FÍLER MINERAL NA VIDA FADIGA DE REVESTIMENTOS ASFÁLTICOS

Vivian Silveira dos Santos Bardini

Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Instituto de Ciência e Tecnologia, Departamento de Engenharia Ambiental

José Leomar Fernandes Jr.

Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Transportes Luis Miguel Gutiérrez Klinsky

Centro de Pesquisas Rodoviárias, Grupo CCR

RESUMO

Já há muito tempo tem sido reconhecido que o fíler tem papel importante no comportamento de misturas asfálticas. Visando investigar em maior profundidade os efeitos do fíler mineral, principalmente em relação ao tipo e teor, foi realizada uma programação fatorial de simulações determinísticas, que inclui também diferentes estruturas de pavimento e avaliação da vida de fadiga das misturas asfálticas pela avaliação da deformação na fibra inferior do revestimento asfáltico, calculadas através do programa computacional ELSYM5. Pode-se observar que independentemente da estrutura analisada, as misturas contendo o fíler de calcário apresentaram, em geral, as maiores vidas de fadiga, mesmo sem essas mesmas misturas apresentarem propriedades de resistência à tração e módulo de resiliência mais elevadas. O teor de fíler influenciou claramente as respostas de vida de fadiga, porém o comportamento não apresentou uma tendência, variando para cada tipo de ligante asfáltico e tipo de agregado. ABSTRACT

It is widely known that the filler has an important role in the behavior of asphalt mixtures. This paper investigated the effects of mineral fillers, especially regarding the type and content. A factorial program of deterministic simulations was held, which also includes different pavement structures and the evaluation of asphalt mixtures fatigue life for the evaluation of deformation in lower fiber in the asphalt layer, calculated using ELSYM5 software. It can be seen that regardless of the structure analyzed, mixtures containing limestone filler have, in general, the greater fatigue life, even these same mixtures had not the higher values at tensile strength and resilient modulus tests. The filler content clearly influence the fatigue life responses, but the behavior had no trend and was different for each type of asphalt binder and aggregate type.

1. INTRODUÇÃO

Os principais defeitos estruturais dos pavimentos asfálticos são as deformações permanentes, encontradas nas trilhas de roda, e as trincas por fadiga, cada um associado a uma etapa da vida em serviço do pavimento. As deformações permanentes geralmente aparecem nos anos iniciais, antes do enrijecimento que acompanha o processo de envelhecimento dos pavimentos asfálticos, causadas por consolidação ou ruptura plástica por cisalhamento, podendo ser, também, decorrentes das solicitações de cargas elevadas associadas a elevadas temperaturas. Já as trincas por fadiga manifestam-se normalmente quando o pavimento asfáltico está mais envelhecido, após ter sido submetido às cargas cíclicas do tráfego, podendo ocorrer, também, quando não se utilizam materiais adequados ou o projeto correto.

Com a finalidade de minimizar os efeitos do tráfego e do clima e o aparecimento dos defeitos no pavimento, muitas pesquisas têm procurado garantir o comportamento adequado dos materiais

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que compõe as misturas asfálticas, assim como a sua interação, para que as propriedades especificadas sejam alcançadas.

Há muito tempo tem sido reconhecido que o fíler tem papel importante no comportamento de misturas asfálticas. O fíler é aquele material passante da peneira de 0,075mm de abertura (no.200) que preenche os vazios entre os agregados graúdos nas misturas e altera as propriedades dos ligantes asfálticos, pois age como parte ativa do mástique (combinação de ligante asfáltico, fíler e ar). A qualidade do mástique influencia todas as respostas mecânicas das misturas asfálticas, assim como sua trabalhabilidade.

Porém, a maior parte das pesquisas desenvolvidas avalia a influência do fíler mineral nas propriedades volumétricas e mecânicas das misturas asfálticas, como volume de vazios, módulo de resiliência e resistência à tração. Contudo, é importante conhecer o desempenho das misturas asfálticas contendo diferentes fileres no pavimento, através da avaliação dos principais defeitos estruturais dos pavimentos asfálticos responsáveis pela redução da sua vida útil, principalmente as trincas por fadiga e as deformações permanentes.

Esta pesquisa tem por objetivo contribuir para o melhor entendimento dos efeitos do tipo e teor do fíler mineral sobre o desempenho de pavimentos asfálticos, particularmente em relação ao tipo e teor de fíler e tipo de agregado, através de uma análise mecanística da vida de fadiga de misturas asfálticas.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Conforme a literatura sugere-se dois mecanismos para explicar o reforço que o fíler proporciona à mistura asfáltica: primeiro, o fíler fornece pontos de contato adicionais entre os agregados maiores, e deste ponto de vista o fíler pode ser considerado como continuação da fração de agregado da mistura asfáltica, e também, pode ser denominado “fíler para agregado”; a segunda maneira no qual o fíler aumenta a estabilidade da mistura é aumentando a viscosidade do ligante, mudando suas propriedades, o fíler pode ser denominado “fíler para ligante” (TUNNICLIFF,1962).

É evidente que, todos os fileres apresentam as duas funções dentro da mistura asfáltica. Porém, dependendo das características do agregado, do ligante asfáltico e do fíler, uma função predominará, pois tanto o ligante asfáltico quanto o fíler apresentam composição e características de atividade superficial diferente; consequentemente, a afinidade e a adsorção (TUNNICLIFF,1962).

Se o fíler é suficientemente fino e a mistura contém quantidade adequada de ligante, os finos ficam dentro da película de ligante e, portanto, mudam as propriedades desse ligante; porém, se o agregado da mistura é bem graduado, ou se a mistura contém quantidade relativamente pequena de ligante e a película de ligante é relativamente fina, pelo menos uma parte do fíler contribuirá para a produção de pontos de contato entre as partículas do esqueleto pétreo. Esse duplo papel é particular do fíler mineral em misturas asfálticas e separa-se nitidamente dos outros componentes pétreos da mistura (KALLAS e PUZINAUSKAS, 1961).

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A porção do fíler com partículas maiores que a película de ligante contribui para o intertravamento dos agregados, produzindo pontos de contato entre eles; a outra porção do fíler, com partículas menores que a película de ligante, fica suspenso no ligante e constitui o ligante na mistura, mudando as propriedades da película de ligante asfáltico. Vários fatores como granulometria dos agregados minerais da mistura asfáltica, grau de compactação, espessura da película de ligante, proporção entre fíler e ligante asfáltico, e outros, podem determinar qual função do fíler irá predominar (KALLAS e PUZINAUSKAS, 1961).

Richardson (1915) atribui o enrijecimento do ligante asfáltico adicionado com fíler mineral à atração superficial entre as partículas minerais finamente divididas, e altamente dispersas e com suas grandes áreas superficiais, e o ligante asfáltico; e também ao tamanho dos finos, relacionando o enrijecimento à redução do tamanho da película de ligante entre as partículas. Dois tipos de efeitos enrijecedores podem resultar da porção de fíler mineral que fica suspensa no ligante asfáltico: (a) um efeito enrijecedor relativamente pequeno, resultado do preenchimento provocado pelo fíler, e (b) um enrijecimento relativamente grande, resultado das interações químicas entre o ligante e a superfície do fíler mineral. Esse efeito enrijecedor físico-químico pode causar aumento de 100 a 1000 vezes na viscosidade do ligante, produzindo uma mistura asfáltica que é mais resistente e difícil de compactar (DUKATZ e ANDERSON, 1980). A densificação e a rigidez de uma mistura asfáltica são afetadas pela porcentagem de material passante na peneira nº 200 (0,075 mm de abertura), mas também são influenciadas pela forma, natureza e granulometria das partículas abaixo desse diâmetro (MOTTA e LEITE, 2000). Se a maior parte do material de enchimento que passa na peneira nº 200 é relativamente grossa, vai cumprir a função de preencher os vazios do esqueleto mineral, decrescendo o índice de vazios e alterando o teor ótimo de ligante asfáltico.

Bardini (2013) estudou o comportamento mecânico de misturas asfálticas densas em função do tipo e teor de fíler (diferentes propriedades físicas, geométricas, mineralógica e comportamento físico-químico), do tipo de agregado (diferentes origens mineralógicas) e do tipo de ligante asfáltico (diferentes consistências), e ressalta a importância do estudo da influência do fíler mineral tanto na mistura asfáltica completa, através de ensaios mecânicos, quanto no mástique, resultante da mistura de fíler com ligante asfáltico, através dos ensaios comumente aplicados aos ligantes asfálticos puros.

2.1 Modelos para Determinação das Respostas Estruturais

O desenvolvimento de modelos simplificados é necessário para a caracterização das propriedades mecânicas dos materiais, das solicitações do tráfego e da ação dos fatores climáticos.

Existem duas técnicas utilizadas para o cálculo das respostas estruturais em pavimentos:  analítica, ou clássica: como a teoria das camadas elásticas de Burmister (1943);

 numérica: representada pela utilização de métodos numéricos, como por exemplo, o método dos elementos finitos.

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Para qualquer técnica considerada, o cálculo das respostas estruturais tem sido facilitado por programas computacionais, como o ELSYM5 e BISAR, que são análises elástico-lineares, ILLI-PAVE e MICH-ILLI-PAVE, que são análises elástico não-lineares, e VESYS, que são análises visco-elástico-lineares.

O programa computacional ELSYM5 (Elastic Layered System) é utilizado para o cálculo de tensões, deformações e deslocamentos em um sistema de camadas elástico-lineares, foi desenvolvido na Universidade da Califórnia em Berkeley. O programa determina as respostas estruturais em um sistema tridimensional (sistema de coordenadas X, Y, Z) de camadas elástico-lineares, submetido a até 10 cargas verticais aplicadas na superfície do sistema (Z = 0). As solicitações são descritas por dois dos três itens seguintes: carga, pressão de contato e raio da superfície de carregamento, sendo o terceiro item determinado automaticamente pelo programa. Os dados de entrada do programa são: propriedades das camadas (espessura, módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson), localização e magnitude das cargas (uniformemente distribuídas sobre superfícies circulares idênticas, perpendiculares às camadas do pavimento) e coordenadas para determinação das respostas estruturais (máximo de 100 pontos diferentes). O programa admite que cada camada seja formada por material homogêneo, isotrópico, sem peso e elástico-linear. A superfície do sistema é livre de esforços cisalhantes. Cada camada tem espessura uniforme e extensão infinita na direção horizontal. Há continuidade entre as camadas (interfaces perfeitamente atritivas ou rugosas). A camada inferior pode ser semi-infinita ou suportada por uma base rígida.

3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Materiais

Para a presente pesquisa foram utilizados os agregados granítico, proveniente da Pedreira São Jerônimo, localizada na cidade de Valinhos/SP, e basáltico, proveniente da Pedreira Bandeirantes, localizada na cidade de São Carlos/SP. Os Cimentos Asfálticos de Petróleo utilizados foram um CAP 50/70 e 85/100, recebido da empresa BETUNEL, na cidade de Ribeirão Preto, cujas propriedades são apresentadas na Tabela 1.

Os diferentes fileres utilizados foram: cal hidratada (CHIII), pó calcário e cimento Portland. A massa especifica real dos fileres foi determinada através da norma DNER-ME 085/94, que padroniza o método para a determinação da massa específica real de material de enchimento, e os resultados estão apresentados na Tabela 2, assim como os valores médios de superfície específica para diferentes fileres, segundo Pinnila (1965).

Foram compostas curvas granulométricas de acordo com a especificação Superpave, ou seja, respeitando-se os pontos de controle e respeitando a recomendação de evitar a zona de restrição. Escolheu-se que a curva granulométrica passasse acima da zona de restrição, pois pesquisa anterior (BARDINI, 2008) mostrou que as misturas contendo os mesmos agregados basálticos, compostas com a curva granulométrica passando abaixo da zona de restrição, não alcançaram o volume de vazios adequado, de 4%. As misturas foram realizadas para quantidades de fíler, ou seja, conforme considerado neste trabalho, para teores de material totalmente passante na peneira

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de abertura 0,075 mm de 2,5; 5,0 e 7,5%. Na Figura 1 é apresentada a curva granulométrica utilizada na mistura asfáltica.

Tabela 1: Caracterização do Ligante Asfáltico CAP 50/70 e CAP 85/100

Característica Método Especificação Resultado Unidade

CAP 50/70 CAP 85/100 CAP 50/70 CAP 85/100

Penetração D 5 50 a 70 85 a 100 50 102 0,1 mm

Ponto de Amolecimento D 36 46 min 43 mín 48,6 43,5 grau C

Viscosidade Brookfield a 135˚C D 4402 274 min 214 mín 377 252.5 cp Viscosidade Brookfield a 150 ˚C D 4403 112 min 97 mín 187 130 cp Viscosidade Brookfield a 177 ˚C D 4404 57 a 285 28 a 114 69 52.5 cp

Tabela 2: Valores de Massa Específica e Superfície Específica dos Fileres (Se)

Material Massa Específica (g/cm3₎ _S_e_(cm2_/g)

Calcário 2,749 2800 – 3500

Cal Cálcica 2,350 5000 - 15000

Cimento Portland 3,030 2200 – 2750

FONTE: Pinnila (1965)

Figura 1: Curva Granulométrica para Mistura Asfáltica utilizada para os três teores de fíler 3.2 Métodos

O módulo de resiliência foi obtido através do ensaio de compressão diametral dinâmico, normalizado pelo DNER ME 133/94.

O ensaio de resistência à tração foi realizado segundo a norma DNER-ME 138/96, que estabelece o método para determinar a resistência à tração por compressão diametral de misturas asfálticas, de utilidade para projetos de pavimentos flexíveis.

O ensaio de vida de fadiga foi realizado por tensão controlada, em que a carga aplicada deve induzir tensões normais horizontais de 10 a 50% do valor da resistência à tração. Esta carga é

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aplicada com duração de 0,1s e descanso de 0,9s. Neste ensaio, o critério de fadiga está associado à fratura da amostra. A tensão é mantida constante ao longo do ensaio e as deformações atingem um valor máximo até o estágio de colapso do corpo-de-prova. A vida de fadiga (N) é definida como o número total de aplicações de uma carga necessária à fratura completa da amostra. A representação das curvas de fadiga é feita em um gráfico dilog, com os números de solicitações de carga que levam à ruptura do corpo-de-prova nas ordenadas e as diferenças de tensões e deformações que levam à ruptura nas abscissas. A curva de fadiga para o material é determinada com as Equações 1 e 2:

() (1) ( ) (2) em que:

NT: número de aplicações de carga até a ruptura do corpo-de-prova, em função da diferença de tensões;

ND: número de aplicações de carga até a ruptura do corpo-de-prova, em função da deformação resiliente;

Δσ: diferença de tensões no centro do corpo-de-prova (MPa); εr: deformação resiliente;

k1, k2, k3, k4: parâmetros determinados por regressão no ensaio de vida de fadiga.

3.2.1 Análise Mecanística

Visando investigar em maior profundidade os efeitos do fíler mineral, principalmente em relação ao tipo e teor, foi realizada uma programação fatorial de simulações determinísticas, que inclui também diferentes estruturas de pavimento e avaliação da vida de fadiga das misturas asfálticas pela avaliação da deformação na fibra inferior do revestimento asfáltico, calculadas através do programa computacional ELSYM5.

Abaixo segue um sumário das etapas da avaliação do comportamento de vida de fadiga das misturas asfálticas:

1. determinação das propriedades mecânicas dos materiais utilizados nas camadas do pavimento. As propriedades das camadas de revestimento asfáltico foram obtidas em ensaios laboratoriais, e as das demais camadas serão adotadas os valores mais comumente encontrados na literatura e em projetos;

2. avaliação de diferentes estruturas de pavimento, com propriedades mecânicas distintas (módulo de resiliência, coeficiente de Poisson, resistência à tração). A Tabela 3 mostra as características das estruturas utilizadas na análise. Quanto ao carregamento, foram simuladas rodas duplas, com pressão de enchimento de pneus de 5,6 kgf/cm2_{, com carregamento de} 8200kgf, separados a uma distância de 28,8 cm;

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Tabela 3: Características das estruturas utilizadas para a análise mecanística

ESTRUTURA 1

Espessura (cm) Coeficiente de Poisson Módulo de Resiliência (MPa)

CA 5 0,35 variável

Base 25 0,40 350

Sub base 30 0,40 200

Sub leito semi infinito 0,45 50

ESTRUTURA 2

CA 10 0,35 variável

Base 25 0,40 350

Sub base 30 0,40 200

ESTRUTURA 3

CA 5 0,35 variável

Base 15 0,40 250

Sub base 20 0,40 100

ESTRUTURA 4

CA 10 0,35 variável

Base 15 0,40 250

Sub base 20 0,40 100

3. cálculo das respostas estruturais (tensões, deformações e deslocamentos) através de programa computacional ELSYM, com a avaliação da deformação horizontal na fibra inferior do revestimento asfáltico;

A determinação das propriedades mecânicas dos materiais utilizados nas camadas do pavimento foi realizada através de ensaios laboratoriais na pesquisa de doutorado de Bardini (2013), que avaliou as propriedades de misturas asfálticas composta por diferentes tipos e teores de fíler, tipos de ligante e tipos de agregado. A Tabela 4 mostra o experimento fatorial desenvolvido na tese, sendo que ensaios realizados para a caracterização das propriedades mecânicas das misturas asfálticas.

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Tabela 4: Experimento Fatorial

Fatores Níveis dos Fatores

Tipo de Agregado 2 (Basalto e Granito)

Tipo de Ligante Asfáltico 2 (50/70 e 85/100)

Tipo de Fíler 3 (Cimento Portland, Cal, Calcário)

Teor de Fíler 3 (Mín, Máx, Méd)

Estrutura do pavimento 4

4. RESULTADOS

A Tabela 5 apresenta os resultados da média de três determinações do módulo de resiliência e a Tabela 6 mostra os valores da média de três determinações da resistência à tração para as misturas asfálticas compostas pelos agregados basáltico e granítico e pelos ligantes asfálticos CAP 50/70 e CAP 85/100 para os diferentes fileres utilizados. Salienta-se que os resultados representam uma média de três testes realizados em cada ensaio.

Tabela 5: Módulo de Resiliência (MPa)

Teor de Fíler CAP 50/70 CAP 85/100

% Calcário Cimento Cal Calcário Cimento Cal

Agregado Basáltico 2,5 6329 6716 6460 4069 3851 4199 5,0 6855 7262 6985 4594 4333 4725 7,5 7636 8023 7313 4922 4598 4946 Agregado Granítico 2,5 6458 6845 7448 3790 4431 4779 5,0 7760 8004 8469 4811 5372 5520 7,5 7765 8152 8475 4816 5178 5526

Tabela 6: Resistência à Tração (MPa)

Teor de Fíler CAP 50/70 CAP 85/100

% Calcário Cimento Cal Calcário Cimento Cal

Agregado Basáltico 2,5 1,992 2,117 1,969 1,177 1,205 1,155 5,0 1,928 2,049 1,905 1,113 1,140 1,091 7,5 1,950 2,075 1,928 1,135 1,163 1,113 Agregado Granítico 2,5 1,840 1,965 1,821 1,049 1,080 1,030 5,0 1,798 1,924 1,778 1,007 1,039 0,987 7,5 1,798 1,924 1,779 1,007 1,039 0,988

As Figuras 2 e 3 apresentam os valores da vida de fadiga, em função do número de solicitações, correspondentes à estrutura 1 das misturas contendo o ligante asfáltico CAP 50/70 e CAP 85/110, respectivamente, para os agregados (a) basáltico e (b) granítico. As Figuras 4 e 5 apresentam os

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resultados da estrutura 2, as Figuras 6 e 7 da estrutura 3 e, finalmente, as Figuras 8 e 9 apresentam os resultados da estrutura 4.

(a) (b)

Figura 2: Vida de Fadiga da Estrutura 1 e de Misturas contendo CAP 50/70 e agregado: (a)

basáltico e (b) granítico

(a) (b)

(10)

(a) (b)

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(a) (b)

Para as Estruturas 1 e 2, que são compostas por camadas mais robustas e mais rígidas, as misturas compostas pelo fíler calcário apresentaram as maiores vidas de fadiga, misturas essas que não apresentam a maior resistência à compressão e nem os maiores módulos de resiliência. Para essas mesmas estruturas, as misturas contendo o fíler de cal hidratada apresentaram na maioria das vezes a menos vida de fadiga, e essas misturas também não apresentaram o maior valor de resistência à tração e módulo de resiliência. Em relação ao teor de fíler na mistura asfáltica, não é possível uma conclusão, uma vez que o comportamento variou para cada tipo de agregado e tipo de ligante asfáltico.

O número de solicitações necessários para a ruptura da mistura asfáltica para a estrutura 4 também foi maior para as compostas pelo fíler calcário, e os teores maiores de fíler apresentaram maiores vidas de fadiga também. Para as misturas da estrutura 4, as compostas pelos fíler calcário seguiram a mesma tendência das outras estruturas, e a influência do teor de fíler depende muito do tipo de ligante asfáltico: para o CAP 50/70 as misturas que apresentaram as maiores vidas de fadiga foram a que contem menor teor de fíler, e as de menor vida variaram com o tipo de fíler; já para as misturas contem o CAP 85/100 não foi observada nenhuma tendência.

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Em geral para todas as estruturas as misturas compostas pelo agregado basáltico e CAP 50/70 apresentaram as maiores vidas de fadiga.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Esta pesquisa teve como objetivo estudar os efeitos do fíler mineral sobre a vida de fadiga de pavimentos asfálticos contendo diferentes tipos e teores de fíler mineral, particularmente em relação ao tipo e teor de fíler e tipo de agregado, através de uma análise mecanística.

Foram analisadas quatro estruturas de pavimento, sendo duas com camadas mais espessas e de maior rigidez, e duas com camadas mais delgadas e menos rígidas, variando-se a espessura do revestimento asfáltico.

Pode-se observar que independentemente da estrutura analisada, as misturas contendo o fíler de calcário apresentaram, em geral, as maiores vidas de fadiga, mesmo sem essas mesmas misturas apresentarem propriedades de resistência à tração e módulo de resiliência mais elevadas, ou seja, não foram as misturas mais rígidas e com menor deformabilidade.

O teor de fíler influenciou claramente as respostas de vida de fadiga, porém o comportamento não apresentou uma tendência, variando para cada tipo de ligante asfáltico e tipo de agregado. Para obter maiores conhecimento em relação à vida de fadiga e ao tipo e teor de fíler, é necessário realizar uma análise estatística para avaliar se realmente são fatores que influenciam a propriedade mecânica e em que qual grau.

Com isso, pode-se concluir que o tipo e teor de fíler mineral tem grande parcela de contribuição na vida de fadiga de misturas asfálticas, assim como seu teor, porém depende de variáveis como tipo de agregado e ligante asfáltico.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BARDINI, V.S.S. (2008) Estudo de viabilidade técnica da utilização de cinzas da queima da casca de Pinus em

obras de pavimentação asfáltica. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos,

Universidade de São Paulo, 2008

BURMISTER, D.M. - The Theory of Stresses and Displacements in Layered Systems and Applications to the Design of Airport Runways - Proc. Highway Research Board - Vol. 23 - pp. 126-148 - Washington, D.C. - 1943 DUKATZ, E. L.; D. A. ANDERSON, R. N. (1980) “The Effect of Various Fillers on the Mechanical Behavior of

Asphalt and Asphaltic Concrete”, Association of Asphalt Paving Technologists, v.49, p.530-557.

KALLAS, B.F.; PUZINAUSKAS, V.P. (1961). “A Study of Mineral Fillers in Asphalt Paving Mixtures”. Proceedings of Asphalt Association of Paving Technologists. V. 30, pp. 493-525

MOTTA, L.M.G., LEITE, L.F.M. (2000). Efeito do Fíler nas Características Mecânicas das Misturas Asfálticas. Anais do 11º congresso Panamericano de Engenharia de Trânsito e Transporte, pp. 1007-1017, Gramado-RS, 19-23 Novembro.

RICHARDSON, C. (1915) “Asphalt Construction for Pavements and Highways”. McGraw-Hill Book Co.

TUNNICLIFF, D. G. (1962). “A Review of Mineral Filler” Proceedings of Asphalt Association of Paving Technologists. v. 31, pp. 118 – 150.