ALESSANDRA CAROLINE MOELLMANN LAUTHARTE
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA EM
MISTURAS ASFÁLTICAS USINADAS À QUENTE: MÓDULO DE
RESILIÊNCIA E TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL
Santa Rosa 2017
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA EM
MISTURAS ASFÁLTICAS USINADAS À QUENTE: MÓDULO DE
RESILIÊNCIA E TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL
Projeto de Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. André Luiz Bock
Santa Rosa 2017
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA EM
MISTURAS ASFÁLTICAS USINADAS À QUENTE: MÓDULO DE
RESILIÊNCIA E TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL
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.
Santa Rosa, 23 de junho de 2017
Prof. André Bock Eng. Civil Dr. - Geotecnia/Pavimentação - Orientador Prof. Dioges Carlos Lopez Coordenador do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA
Prof. Paula Weber Prediger (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade de Passo Fundo
Dedico esta conquista aos meus pais que sempre estiveram ao meu lado, me apoiando no que fosse necessário.
Desejo expressar os mais sinceros agradecimentos a todos que de alguma maneira auxiliaram no desenvolvimento desta pesquisa. Seja através da orientação técnica e científica, seja através de apoio, incentivo, força e da amizade.
Aos meus pais pelo incentivo, compreensão, paciência, amor e apoio incondicional em todos os momentos da minha vida;
Ao meu namorado pela paciência, amor e por todos os ensinamentos compartilhados; Ao meu orientador Prof. André Luiz Bock pela confiança, paciência, participação e competência na orientação do trabalho;
Aos demais professores do curso minha gratidão pelos seus ensinamentos, pelo apoio, pela compreensão, tão importantes na vida acadêmica e no desenvolvimento do trabalho de conclusão do curso.
Aos colegas que ao longo dos anos foram se tornando grandes amigos e que tornaram a caminhada mais alegre. Em especial as amigas e colegas Alessandra, Dioneia e Rosana, as quais tornaram essa jornada mais feliz e compartilharam comigo tantos momentos felizes.
A minha colega e grande amiga Alessandra o meu agradecimento por toda a amizade, paciência e por ter auxiliando incansavelmente no andamento desta pesquisa, obrigada por ter compartilhado comigo essa etapa e tantas outras.
A empresa Enphase Pavimentações pelo apoio.
Aos voluntários que auxiliaram em todas as etapas, obrigada por toda a ajuda, sem vocês isso não teria sido possível.
Aos funcionários do Laboratório de Engenharia Civil de Santa Rosa. Em especial ao laboratorista de Ijuí, Luiz, sempre disposto a auxiliar e responder todas as dúvidas.
Aos funcionários do Laboratório da UFSM, pelos ensaios realizados.
Aos amigos de infância por toda a compreensão e incentivo, muito obrigada por todo o apoio, vocês são um pedaço do meu coração.
Aqueles que se sentem satisfeitos sentam-se e nada fazem,
os insatisfeitos são os únicos benfeitores do mundo.
LAUTHARTE, A. C. M. Análise da influência da variação de temperatura em misturas asfálticas usinadas à quente: módulo de resiliência e tração por compressão diametral. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Santa Rosa, 2017.
Os pavimentos rodoviários desenvolvem ao longo do período de serviço degradações que colaboram para uma diminuição de sua qualidade estrutural e funcional. Essas degradações são originadas principalmente pelas ações do tráfego e das condições climáticas, as quais atuando sobre um pavimento com determinadas propriedades mecânicas e geométricas originam solicitações no pavimento que alteram as suas características iniciais. A atuação diária e sazonal do clima não apenas implica alterações momentâneas na resposta estrutural dos pavimentos, como também e, principalmente, a modificação de propriedades dos materiais, o que resulta na degradação mais rápida das estruturas de pavimento, sob a ação combinada de clima e cargas atuantes. As principais ações sobre as estruturas e os materiais estão vinculadas à radiação solar, à precipitação e ao congelamento de camadas dos pavimentos. A temperatura é um dos fatores mais significativos que afeta o desempenho de um pavimento, principalmente no que diz respeito ao revestimento asfáltico. A distribuição de tensões, em diferentes estações climáticas e horários do dia, depende da sensibilidade das camadas asfálticas a variação da temperatura. Neste contexto o objetivo da presente pesquisa foi analisar o comportamento mecânico de uma mistura asfáltica considerando as variações mínimas e máximas de temperatura. As relações entre deformabilidade elástica e resistência à tração foram analisadas através de ensaios de Módulo de resiliência e Resistência à tração por compressão diametral nas temperaturas de 5ºC, 15ºC, 25ºC e 35ºC, utilizando uma mistura asfáltica usinada na região do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. Utilizando estes valores de módulo de resiliência para a realização de uma análise mecanistíca de uma estrutura tipo de pavimento asfáltico, com espessura variável de 8, 12 e 16 cm. Após estas análises verifica-se que quando expostos a temperaturas mais elevadas o pavimento asfáltico sofre uma perda elevada de rigidez, associada à diminuição da viscosidade, ocasionando deformações permanentes nas trilhas de rodas. As temperaturas elevadas afetam também a resistência à tração do pavimento, a qual se torna muito baixa, acarretando a fragilização do mesmo. O conhecimento dos efeitos das temperaturas ambientais nos revestimentos asfálticos é de fundamental importância, pois com ela, pode-se realizar um dimensionamento adequado do pavimento, utilizando temperaturas de projeto de acordo com o clima de cada região, caracterizando os materiais nas temperaturas adequadas, resultando em pavimentos adaptados para cada região específica, com maior vida útil e qualidade superior.
LAUTHARTE, A. C. M. Análise da influência da variação de temperatura em misturas asfálticas usinadas à quente: módulo de resiliência e tração por compressão diametral. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Santa Rosa, 2017.
The road pavements develop during the period of service degradations that collaborate to a decrease of its structural and functional quality. These degradations are mainly caused by traffic and climatic conditions, which act on a pavement with certain mechanical and geometric properties that give rise to requests on the pavement that alter its initial characteristics. The daily and seasonal action of the climate not only implies momentary changes in the structural response of the pavements, but also, and mainly, the modification of the properties of the materials, which results in the faster degradation of the pavement structures, under the combined action of climate and Working loads. The main actions on structures and materials are linked to solar radiation, precipitation and freezing of layers of pavements. Temperature is one of the most significant factors affecting the performance of a pavement, especially as regards the asphalt coating. The distribution of stresses, in different climatic seasons or times of the day, depends on the sensitivity of the asphalt layers to the temperature variation. In this context the objective of the present research was to analyze the mechanical behavior of an asphalt mixture considering the minimum and maximum temperature variations. The relationships between elastic deformability and tensile strength were analyzed using Resilience Modulus and Tensile Strength tests by diametral compression at temperatures of 5ºC, 15ºC, 25ºC and 35ºC, using an asphalt mixture machined in the Northwest region of the State of Rio Grande Using these values of resilience module to perform a mechanical analysis of a typical asphalt pavement structure with a variable thickness of 8, 12 and 16 cm. After these analyzes it is verified that when exposed to higher temperatures the asphalt pavement suffers a high loss of stiffness, associated to the decrease of the viscosity, causing permanent deformations in the tracks of wheels. High temperatures also affect the tensile strength of the pavement, which becomes very low, causing deformation of the pavement. The knowledge of the effects of ambient temperatures on asphalt coatings is of fundamental importance, since with it, an adequate design of the pavement can be carried out, using design temperatures according to the climate of each region, characterizing the materials at the appropriate temperatures, resulting In floors adapted to each specific region, with longer life and superior quality.
Figura 1: Composição pavimento flexível... 19
Figura 2: Classificação do clima segundo Koppen ... 28
Figura 3: Delineamento da pesquisa ... 32
Figura 4: Etapas da moldagem das amostras ... 34
Figura 5: Etapas do ensaio de tração ... 36
Figura 6: Estado de tensões gerados durante o ensaio de tração ... 37
Figura 7: Etapas do ensaio de módulo de resiliência... 39
Figura 8: Estrutura analisada ... 40
Figura 9: Carregamento ... 41
Figura 10: Tela inicial do programa de Análise ... 42
Figura 11: Tela principal do programa de Análise ... 42
Figura 12: Tela de inserção de coordenadas ... 43
Figura 13: Tela de inserção de espessuras e coeficientes ... 43
Figura 14: Tela de inserção de valores de Módulo ... 44
Figura 15: Tela de inserção de dados de carga ... 45
Figura 16: Média dos valores do ensaio de Módulo – 1º leitura ... 48
Figura 17: Média dos valores do ensaio de Módulo – 2º leitura ... 49
Figura 18: Média dos valores do ensaio de Tração ... 50
Figura 19: Vida de fadiga do pavimento ... 52
Tabela 1: Categorias de fatores associados à degradação dos pavimentos ... 25
Tabela 2: Projeto Resumo Faixa A ... 33
Tabela 3: Resultado da moldagem... 46
Tabela 4: Valores de média, Sd e CV ... 47
Tabela 5: Modelo de Fadiga ... 51
Tabela 6: Vida de fadiga do pavimento ... 53
Tabela 7: Modelo de deformação permanente ... 54
CA Concreto Asfáltico
CAP Cimento Asfáltico de Petróleo
CBUQ Concreto Betuminoso Usinado a Quente
CM Centímetro
CNT Confederação Nacional do Transporte CP Corpo de Prova
CV Coeficiente de variação
DAER Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes FEPAVE Finite Element Analysis of Pavements
G Grama
H Hora
Hz Hertz
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística LEC Laboratório de Engenharia Civil
LVDT Linear Variable Differential Transducer
KM Quilômetro
KM² Quilômetro quadrado kN Quilo Newton
kPa Quilo Pascal MM Milímetro
NBR Norma Brasileira Regulamentadora
RT Resistência à tração por compressão diametral S Segundo
Sd Desvio Padrão
TCC Trabalho de conclusão de curso
UNIJUI Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UFSM Universidade Federal de Santa Maria
Vv Volume de vazios ºC Grau Celsius
1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 CONTEXTO ... 14 1.2 PROBLEMA ... 15 1.2.1 Questões de Pesquisa ... 16 1.2.2 Objetivos de Pesquisa ... 16 1.2.3 Delimitação ... 17 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 18 2.1 PAVIMENTO ... 18 2.1.1 Pavimento flexível ... 19
2.1.2 Concreto Asfáltico Usinado à Quente ... 20
2.2 MISTURAS ASFÁLTICAS ... 20
2.3 MATERIAIS PARA EXECUÇÃO DE MISTURAS ASFÁLTICAS ... 21
2.4 MÉTODO DOSAGEM MARSHALL ... 21
2.5 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA ... 22
2.5.1 Ensaio de Resistência à Tração ... 22
2.5.2 Ensaio de Módulo de Resiliência ... 23
2.6 DEGRADAÇÃO DO PAVIMENTO ... 23
2.7 EFEITOS DA TEMPERATURA EM PAVIMENTOS FLEXÍVEIS ... 26
2.8 CLIMA ... 27
2.8.1 Clima Brasileiro ... 28
2.8.2 Clima do Rio Grande do Sul ... 29
2.9 ANÁLISE MECANÍSTICA ... 30
3 MÉTODO DE PESQUISA ... 31
3.1 ESTRATÉGIA DE PESQUISA ... 31
3.3.2 Resistência à Tração por compressão diametral (RT) ... 36
3.3.3 Ensaio de Módulo de Resiliência (MR) ... 38
3.4 ANÁLISE MECANÍSTICA ... 40
3.4.1 Definição dos Parâmetros ... 40
3.4.2 Apresentação do Software Kenpave ... 42
4 RESULTADOS ... 46
4.1 MOLDAGEM DAS AMOSTRAS ... 46
4.2 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO E MÓDULO DE RESILIÊNCIA ... 47
4.3 ANÁLISE MECANÍSTICA NO SOFTWARE KENPAVE ... 50
4.3.1 Análise da Vida de Fadiga ... 50
4.3.2 Deformação Permanente ... 53
5 CONCLUSÕES ... 57
5.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 57
5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 58
REFERÊNCIAS ... 60
1 INTRODUÇÃO
Atualmente as rodovias têm grande importância para o desenvolvimento social e econômico do país. De acordo com a CNT (CONFEDERAÇÃO NACIONAL DOS TRANPORTES, 2016), a malha rodoviária brasileira possui uma extensão de 211.468,3 km de rodovias pavimentadas e 1.351.978,1 km não pavimentadas. Uma pesquisa realizada pela mesma mostra que 57,4% das estradas apresentam-se em condições gerais regulares, ruins ou péssimas e 42,6% são consideradas ótimas ou boas.
A má qualidade das rodovias provoca impactos sociais e econômicos para o país como o aumento de acidentes, maior consumo de combustíveis, custo de manutenção dos carros e atraso na entrega de mercadorias e transporte de passageiros. Tais efeitos evidenciam a necessidade dos serviços de manutenção ou restauração das rodovias (BARROS, 2013, p. 15).
Também observa-se a importância das rodovias na questão turística e cultural do país, de tal forma que esta proporciona uma ligação de povos e culturas, ajudando a fortalecer o potencial turístico brasileiro, tornando acessível à capacidade de locomoção mais eficaz, possibilitando uma melhor segurança e comodidade (WALLAU, 2004, p.19).
Ainda que a deterioração do pavimento em serviço seja influenciada por condições como variações de temperatura, umidade e velocidades de aplicação do carregamento, tais variáveis não são levadas em conta explicitamente nas verificações estruturais pelas metodologias brasileiras, as quais utilizam coeficientes estruturais fixos para cada material, e módulo de resiliência estabelecidos para temperaturas de 25°C e velocidades de operação da ordem de 70 km/h (SUZUKI; DAIBERT, 2015).
Conforme Gonçalves (1999, p. 4)
[...] A tarefa de se melhorar o desempenho dos pavimentos é uma atividade complexa e se constitui num desafio constante. Para vencê-lo, diversos programas de pesquisas vem sendo desenvolvidos ao longo do tempo em vários países.
O controle dos mecanismos principais de deterioração e o estabelecimento de modelos de previsão de desempenho dos pavimentos são atividades essenciais para a eficácia da gerência de uma determinada rede pavimentada. Entende-se por desempenho de um
pavimento o grau com que o mesmo atende as funções que lhe são impostas ao longo de sua vida de serviço.
Os pavimentos não estão sujeitos somente às ações das cargas do tráfego. O meio físico à sua volta também exerce ação sobre sua vida útil e, portanto, não deve ser ignorado. Estas ações (clima e tráfego), em conjunto, formam os principais fatores que impõem uma vida útil limitada aos pavimentos (MEDINA, 1997 apud FRANCO, 2007).
Conforme Franco (2007), a temperatura do ar atua diretamente nas propriedades resilientes dos materiais asfálticos devido à natureza viscoelástica dos ligantes asfálticos. Essa ação da temperatura, no entanto, não é muito considerada nos demais materiais empregados em pavimentação.
O presente estudo teve como finalidade verificar e analisar como a variação de temperatura afeta o comportamento estrutural do pavimento durante a sua vida útil, por meio de ensaios laboratoriais de resistência à tração por compressão diametral e módulo de resiliência. Utilizando estes dados posteriormente em análises mecanísticas de uma estrutura tipo de pavimento asfáltico.
1.1 CONTEXTO
De acordo com Motta (1991), um dos fatores que mais influenciam o desempenho do pavimento é o clima. O desempenho de um pavimento é função da atuação conjunta da carga de tráfego, da idade, do ambiente, das propriedades das camadas e dos processos de manutenção.
Sabendo-se do alto custo de construção de uma rodovia, o conhecimento da variação da temperatura do pavimento pode auxiliar no seu dimensionamento pela caracterização dos materiais nas temperaturas adequadas, visando obter pavimentos mais apropriados para as regiões onde serão executados e, consequentemente, de maior vida útil. Assim, não haverá necessidade de tantos investimentos para a manutenção das rodovias, pois, no Brasil, há falta de investimentos em diversos setores e o setor de infraestrutura viária é um deles (KILPP, 2004, p.17).
As primeiras determinações de temperatura que foram relatadas no Brasil em revestimentos asfálticos, de uma forma mais ou menos sistemática, ocorreram durante o ano de 1965. Medina e Farah (1965) apud Motta (1991) utilizaram furos com óleo e termômetro de superfície para observarem as variações de temperatura em um revestimento, no Rio de Janeiro. Mediram temperaturas de até 65° C na superfície.
Conforme Franco (2007, p. 9)
A temperatura ao longo do perfil do pavimento se altera, podendo ser maior ou menor que a temperatura da superfície, dependendo dos fatores climáticos externos. A gradiente de temperatura gerado ao longo da profundidade do revestimento asfáltico induz ao comportamento diferencial à deformação permanente (FRANCO, 2007, p.9).
Portanto, torna-se fundamental o entendimento do comportamento das temperaturas, principalmente ao longo da espessura dos revestimentos em relação às condições climáticas do ambiente (SALES, 2008, p.46).
1.2 PROBLEMA
Conforme Oliveira (2014, p. 20)
[...] As condições climáticas têm um efeito significativo no desempenho dos pavimentos flexíveis. Fatores externos como precipitação, temperatura, ciclos de gelo-degelo e posição do nível freático, são os aspetos preponderantes sob o ponto de vistas das condições climáticas nos pavimentos. Fatores internos como a suscetibilidade dos materiais de pavimentação à umidade e aos ciclos de gelo-degelo bem como a sensibilidade das misturas betuminosas à temperatura definem a forma como o pavimento reage às solicitações ambientais.
De acordo com Campos et al (2005, p. 3), o monitoramento das temperaturas das diversas camadas de um pavimento possibilita a realização da análise térmica da mesma. Com isso, é possível determinar um melhor dimensionamento das pavimentações, definindo os materiais nas temperaturas adequadas, ocasionando pavimentos adaptados para cada região específica, com maior vida útil e qualidade superior.
A tendência de projetar pavimentos levando em conta as condições peculiares de cada material remete a sua adequada caracterização. O conhecimento da temperatura que irá atuar em determinado pavimento levará a uma caracterização mais realista, visto que as misturas asfálticas têm suas características de deformabilidade e resistência alteradas com a temperatura. (KILPP, 2004, p.19)
A temperatura do pavimento asfáltico varia de acordo com a localização, hora do dia e a estação do ano. A maior ou a menor rigidez na estrtura em função da temperatura. Com a variação da rigidez altera-se a distribuição de tensões, a resistência, a deformação plástica e a vida da fadiga (MEDINA, 1997).
A partir dos elementos mencionados pelos autores, pode-se concluir que o conhecimento da temperatura dos pavimentos é de extrema importância e de grande utilidade para o
dimensionamento de pavimentos, seleção de materiais e para o conhecimento do comportamento estrutural. Serão utilizados ensaios laboratoriais para verificar o comportamento das misturas asfálticas submetidas a diferentes temperaturas.
1.2.1 Questões de Pesquisa
Este estudo teve como questão principal:
Verificar de forma mecanística como a variação de temperatura da mistura asfáltica pode afetar o comportamento estrutural de um pavimento asfáltico durante sua vida útil, utilizando uma mistura asfáltica obtida na região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
As questões secundárias consistem em:
Qual o efeito da variação de temperatura em ensaios mecânicos no desenvolvimento mecânico das misturas em Concreto Asfáltico (CA)?
Qual a influência destas variações no desempenho futuro do revestimento asfáltico?
1.2.2 Objetivos de Pesquisa Objetivo Geral
O objetivo geral desta pesquisa consistiu em analisar a influência da variação de temperatura em uma mistura asfáltica produzida na Região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul e analisar como esta variação afeta o desempenho da mistura asfáltica, verificando a rigidez e a resistência.
Objetivos específicos
Para atingir o objetivo geral, alguns objetivos específicos foram definidos, sendo eles elencados a seguir:
Definição da mistura asfáltica utilizada e após moldagem das amostras; Definição das temperaturas para a realização dos ensaios laboratoriais;
Traçar gráficos comparativos da variação de temperatura das misturas asfálticas; Analisar a influência destas variações de temperatura, utilizando uma amostra de
mistura asfáltica da região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, principalmente no que diz respeito aos extremos (temperaturas mínimas no inverno e máximas no verão) no desempenho futuro do revestimento asfáltico. Outro aspecto importante foi à verificação da diferença obtida na variação dos gradientes térmicos dos pavimentos, considerando distintas estrturas analisadas, através da análise mecanística.
1.2.3 Delimitação
A pesquisa limitou-se a verificar como a variação de temperatura influencia nas características mecânicas, rigidez (MR) e de Resistência à Tração (RT) de uma mistura asfáltica. Utilizou-se uma mistura asfáltica produzida em uma usina da região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. As análises foram realizadas condicionando as amostras as temperaturas de 5ºC, 15ºC, 25ºC e 35ºC. Posteriormente com os valores obtidos foi realizada a análise mecanística da estrutura.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Neste capítulo será abordada uma série de itens pertinentes ao tema de estudo que trata de assuntos como pavimentos, misturas asfálticas, materiais para execução de misturas asfálticas, degradação de pavimentos, efeitos da variação de temperatura em pavimentos, clima, dosagem Marshall, caracterização mecânica e análise mecanística.
2.1 PAVIMENTO
Conforme Senço (1988), pavimento é uma estrutura construída sobre a terraplenagem 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.
Conforme Bernucci et al. (2008, p.504)
Os pavimentos são estruturas de múltiplas camadas, sendo o revestimento a camada que se destina a receber a carga dos veículos e mais diretamente a ação climática. Portanto, essa camada deve ser tanto quanto possível impermeável e resistente aos esforços de contato pneu-pavimento em movimento, que são variados conforme a carga e a velocidade dos veículos (Bernucci et al, 2008, p.504).
Nos pavimentos asfálticos submetidos a tráfego médio a elevado, o revestimento é constituído por concreto asfáltico, mistura asfáltica executada à quente constituída de agregado gráudo, agregado miúdo, material de enchimento (filer) e cimento asfáltico de pétroleo (CAP). Seu preparo deve ser realizado em usina apropriada, de forma que o CAP recubra totalmente os agregados. Após a usinagem, a mistura deve ser colocada uniformemente em toda superfície e compactada à quente de forma a atender as exigências das especificações (BIRMAN, 1982).
Da associação de camadas constituídas por diferentes materiais resultam diferentes tipos de pavimentos, que representam comportamentos diferentes quando solicitados pelas cargas dos veículos e associados pela combinação de determinadas condições climáticas (FONTES, 2009).
De modo geral, os pavimentos podem ser classificados em rígidos e flexíveis (SENÇO, 1988). Os pavimentos flexíveis, em geral associados aos pavimentos asfálticos, são constituídos
por camada superficial asfáltica (revestimento), apoiada sobre camadas de base, de sub-base e de reforço do subleito, constituídas por materiais granulares, solos ou misturas.
Ainda conforme o autor, os pavimentos rígidos, em geral associados aos de concreto de cimento Portland, são constituídos por uma camada superficial de concreto de cimento Portland (em geral placas, armadas ou não), apoiada sobre uma camada de material granular ou de material estabilizado com cimento (chamada sub-base), assentada sobre o subleito ou sobre um reforço do subleito quando exigido.
2.1.1 Pavimento flexível
De acordo com Medina (1997), pavimento flexível é aquele composto por um revestimento betuminoso sobre uma base granular ou de solo estabilizado granulometricamente.
Conforme Bernucci et al. (2008), os pavimentos flexíveis são associados aos pavimentos asfálticos, são constituídos por camada superficial asfáltica, apoiadas sobre camadas de bases, de sub-base e de reforço do subleito, compostas por materiais granulares, solos ou misturas de solos, sem adição de agentes cimentantes.
Figura 1: Composição pavimento flexível
Fonte: Bernucci et al. (2008)
As camadas do pavimento flexível estão divididas em revestimento que resiste a maior parte das ações do tráfego e o transmite para as camadas inferiores, a base que além de resistir às ações do tráfego transfere para o subleito se necessário pode ser executada a camada de sub-base a fim de diminuir a espessura da camada de base, e quando os pavimentos são espessos executa-se uma camada de reforço do subleito reduzindo a camada da baexecuta-se (GRANISH, 2010).
2.1.2 Concreto Asfáltico Usinado à quente
Concreto asfáltico usinado a quente é um revestimento flexível, composto por agregado graúdo, miúdo, material de enchimento e CAP (cimento asfáltico de petróleo), com proporções previamente definidas, para satisfazer os requisitos granulométricos, de densidade, resistência e de vazios (CARNIN, 2008).
Em comparativo com os pavimentos rígidos, composto de placa de concreto de cimento
Portland, as propriedades de rigidez e resistência do concreto asfáltico variam expressivamente
em relação à temperatura ambiental. 2.2 MISTURAS ASFÁLTICAS
Misturas asfálticas são constituídas normalmente por agregados minerais de frações com diversos tamanhos e formas, na presença de um ligante betuminoso (agente aglutinante). O conjunto agregado-betume pode eventualmente possuir aditivos ou adições, em proporções adequadas (OLARD, 2003).
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).
Os revestimentos são divididos em revestimentos asfáltico por Mistura (Mistura utilizada no Trabalho) ou Móveis. Revestimentos asfálticos por Mistura são executados em uma usina estacionária e transportados posteriormente por caminhão para a pista, onde é lançada por equipamento apropriado, denominado vibroacabadora. Logo após, é compactada, até atingir um grau de compressão que resulte em uma composição estrutural estável e resistente, tanto às deformações permanentes quanto às deformações elásticas repetidas da passagem do tráfego (BERNUCCI et al, 2008).
A mistura dos agregados com o ligante é executada à quente em uma usina de asfalto e transportada até o local de utilização por caminhões especialmente equipados onde é lançado por
equipamento adequado chamado de vibroacabadora. Após o lançamento a mistura é compactada por rolos compactadores até alcançar a densidade exigida em projeto (BOEIRA, 2011).
2.3 MATERIAIS PARA EXECUÇÃO DE MISTURAS ASFÁLTICAS
Para Bernucci et al (2008), as propriedades geológicas do agregado estão ligadas ao seu desempenho. Entre as propriedades estão a composição mineralógica e química, tipo de rocha, granulação, tendência a degradação, abrasão ou fratura sob tráfego e o potencial de adesão do ligante asfáltico em sua superfície.
Todos os revestimentos asfálticos possuem, além de ligante, agregados em sua constituição. Logo, a qualidade deste agregado, para a mistura asfáltica, relacionada para que as propriedades esperadas sejam satisfeitas (GRANISH, 2010).
Conforme Bernucci et al. (2008), os agregados podem ser divididos em três grupos, segundo a natureza, tamanho e distribuição dos grãos. A distribuição granulométrica dos agregados é uma das principais propriedades, tem influencia no comportamento dos revestimentos asfálticos. Bem como na grande maioria das propriedades como, rigidez, estabilidade, durabilidade, permeabilidade, trabalhabilidade, resistência à fadiga, deformação permanente, etc.
O ligante asfáltico é também conhecido como cimento asfáltico de petróleo ou betume, e origina-se da destilação fracionada do petróleo. Ele é impermeável à água e além de possuir uma baixa reatividade química a muitos agentes, ele sofre envelhecimento por oxidação lenta, durante o contato com a água e o ar (BERNUCCI et al., 2008).
2.4 MÉTODO DOSAGEM MARSHALL
No Brasil, grande parte dos projetos de misturas asfálticas é executada pela metodologia Marshall. O método foi desenvolvido na década de 30 por Bruce G. Marshall, do Departamento de Transporte do Estado do Mississipi dos Estados Unidos. O método foi planejado para efeito da determinação da quantidade de ligante que deveria ser usada na composição de mistura betuminosa, para a utilização em serviços de pavimentação rodoviária (SPECHT, 2004).
A norma DNER-ME 43/95, sugere esforço de compactação de 50 golpes para a pressão de pneu até 7 kgf/cm² e de 75 golpes para a pressão de 7 kgf/cm² a 14 kgf/cm² (BENUCCI et al., 2008). Utiliza-se o esforço de compactação de 75 golpes, com frequência de 1 Hz.
De acordo com Senço (1988), a utilização do método limita-se a misturas asfálticas a quente, utilizando cimentos asfálticos de petróleo de penetração compatíveis com as condições ambientais. O agregado utilizado deve ter diâmetro efetivo de pelo menos 1 polegada (25,4 mm). 2.5 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA
Segundo Vasconcelos (2004), os ensaios laboratoriais são utilizados extensivamente com a finalidade de proporcionar melhor entendimento do comportamento mecânico dos materiais em campo, tendo em vista que os ensaios in situ, ou trechos experimentais são, muitas vezes, de difícil realização. Os ensaios devem reproduzir tanto quanto possível a situação vivida em campo.
Conforme Motta (1991) compete ao revestimento asfáltico resistir diretamente à repetição das cargas dos diferentes tipos de veículos. A combinação dessas solicitações resulta na fadiga inevitável da mistura asfáltica. Este fenômeno é levado em conta no dimensionamento de um pavimento através da determinação de modelos que associam o número de repetições de carga com o estado de tensões aplicado.
2.5.1 Ensaio de Resistência à Tração
De acordo com Balbo (2007), o ensaio de compressão diametral, utilizado na década de 1950, desenvolvido pelo Professor Luís Fernando Lobo Carneiro, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, estabelece um plano de ruptura igual ao plano de aplicação da carga.
O ensaio de resistência à tração por compressão diametral é realizado conforme com a Norma DNER-ME 138/94. A finalidade do ensaio é determinar a resistência à tração de corpos de prova cilíndricos de misturas. O corpo de prova utilizado no ensaio pode ser obtido do campo por extração através da sonda rotativa ou fabricado em laboratório, com altura entre 3,50 cm a 6,50 cm e diâmetro de 10 ± 0,2 cm (LIMA, 2003).
2.5.2 Ensaio de Módulo de Resiliência
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.
Conforme Núñez et al. (2007), o módulo de resiliência é uma condição importante na determinação do dimensionamento racional dos pavimentos, estando intimamente ligado ao projeto da mistura. Cita ainda que 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.
A relação entre o valor da resistência à tração do material e do módulo de resiliência tem sido utilizada na dosagem de misturas asfálticas, pois quanto mais rígido, maior é a sua capacidade como camada de reter esforços no próprio material, ampliando o efeito de placa da camada, causando maiores tensões de tração no material. Assim, o aumento do módulo de resiliência da camada não traz nenhuma vantagem sem o adequado aumento de sua resistência, pois para diminuir as tensões de tração na fibra inferior, é necessário aumentar a espessura da camada (BALBO, 2007).
2.6 DEGRADAÇÃO DO PAVIMENTO
O bom desempenho do revestimento asfáltico depende da obtenção de uma mistura com distribuição granulométrica apropriada de agregados e de um teor ideal de ligante asfáltico, de modo a proporcionar conforto e segurança ao rolamento dos veículos, durabilidade, resistência às cargas, deformações, fraturas e desagregações, sem se tornar instável às condições necessárias (BRITO et al., 2015).
Os pavimentos rodoviários são dimensionados para responderem às solicitações do tráfego e do clima ao longo de um determinado período de vida (10 a 40 anos), de modo a apresentarem condições de circulação confortáveis e seguras (PEREIRA et al., 2006).
São muitas as causas que originam os defeitos nos pavimentos, elas podem surgir do dimensionamento inadequado no projeto tanto quanto podem ser oriundas da sua má execução. O dimensionamento incorreto do pavimento pode se dar pela complexidade em prever o tráfego real
futuro que se desenvolverá durante a vida útil. Também podem ocorrer defeitos em virtude do mau dimensionamento da superficie de terraplenagem, da incompatibilidade estrutural entre as camadas e por problemas de drenagem (BERNUCCI et al., 2008).
Conforme Balbo (2007, p.257)
Os materiais de construção, no decorrer de sua vida de serviço, apresentam processos de danificação e deterioração (degradação) inevitáveis que, paulatinamente, implicam a alteração de suas propriedades mecânicas, ou seja, aquelas que governam seu comportamento sob ações de cargas de diversas naturezas. Portanto, as propriedades dos materiais alteram-se após a construção, piorando pouco a pouco. Tal fato se traduz nos materiais de camadas de pavimentos, sendo sua degradação motivada por cargas de veículos, produtos químicos e ações ambientais, como temperatura e umidade. (BALBO, 2007, p. 257)
Brito et al. (2015) apud Roberts et. al (1991) relata que ao verificar os principais tipos de defeitos que ocorrem num pavimento flexível é possível identificar os dois mais importantes modos de solicitação mecânica que podem causar degradações, os quais demandam atenção especial, devido à magnitude que ocorrem e, principalmente, porque são problemas estruturais: a compressão que promove o acúmulo de deformação permanente nas trilhas de roda, que normalmente ocorre nos primeiros anos de vida do pavimento, devido à consolidação e tensões cisalhantes, e a flexão alternada, que conduz à fadiga do revestimento asfáltico, que geralmente ocorre em pavimentos mais envelhecidos.
Segundo Specht (2004), a degradação de pavimentos está associada a diversas patologias, dentre elas podem ser citadas deformações permanentes excessivas, trincamento por fadiga, trincamento por retração térmica e desagregação. As duas primeiras estão mais relacionadas com o tráfego atuante e a estrutura do pavimento, enquanto as duas últimas estão relacionadas com as propriedades dos materiais utilizados e as condições climáticas atuantes.
Conforme Brito et al (2015, p.28)
A sucessiva repetição destas condições origina degradações no pavimento, que se caracterizam por um decréscimo da condição ou da serventia do pavimento ao longo do tempo. Estes fatores interferem significativa e diretamente na vida útil estimada para um pavimento asfáltico, que com a idade passa a ter sua integridade reduzida à uma condição inferior da projetada devido a diminuição das propriedades funcionais e estruturais (BRITO et al, 2015, p. 28)
A má execução do projeto, falha na seleção dos materiais ou problemas construtivos podem causar a degradação prematura dos revestimentos. Fatores de deterioração dos revestimentos a médio e longo prazo estão relacionados à ação do tráfego e as solicitações climáticas (variação de temperatura e teor de umidade). Incluindo as inadequações ou até mesmo a inexistência de programas de conservação e manutenção dos revestimentos, fatores que originam defeitos mais severos nos pavimentos, prejudicando o conforto e a segurança dos usuários (BOCK, 2012).
Na Tabela 1, são apresentados os principais defeitos que ocorrem nos revestimentos asfálticos e sua prováveis causas (BRITO et al, 2015 apud DNER, 1998).
Tabela 1: Categorias de fatores associados à degradação dos pavimentos
Fonte: BRITO et al, 2015 apud DNER, 1998
Conforme Brito et al. (2015) existem ainda mecanismos de degradação associadas ao clima (como variações de temperatura e umidade) que causa a oxidação do ligante do
subjacentes na presença de umidade excessiva e os mecanismos relacionados aos materiais empregados (diretamente relacionados ao padrão de qualidade) e aqueles relacionados aos métodos de construção.
Bock (2012) apud Fernandes (1994) relata que trincamento por fadiga e deformações permanentes são os mecanismos de degradação que apresentam maior importância principalmente em função das condições climáticas existentes no Brasil, pois decorrem essencialmente para temperaturas altas ou moderadas, quando o pavimento manifesta um comportamento praticamente elástico.
De acordo com DNIT (2006), o desempenho funcional refere-se à capacidade do pavimento de satisfazer sua função principal, que é a de proporcionar uma superfície com serventia adequada em termos de qualidade de rolamento. A serventia pode ser avaliada subjetivamente ou por medidas físicas correlacionáveis com avaliações subjetivas.
2.7 EFEITOS DA TEMPERATURA EM PAVIMENTOS FLEXÍVEIS
É fato a influência da temperatura nos revestimentos asfálticos. Os ligantes asfálticos, pela sua natureza viscoelástica, possuem características que dependem da temperatura. Estas características são transmitidas às misturas asfálticas que acabam por ter um comportamento mecânico viscoelástoplástico, o que representa que as curvas tensão – deformação destes materiais se modificam com a temperatura (FRANCO, 2007, p.9).
Na avaliação do desempenho de um pavimento rodoviário flexível é fundamental considerar a temperatura a que vão estar sujeitas as camadas betuminosas. Estas são misturas compostas por materiais de grande susceptibilidade térmica entre quais os betumes asfálticos. A ação da temperatura no pavimento reflete-se fundamentalmente nas propriedades mecânicas das camadas betuminosas do pavimento e, portanto no seu estado de tensão/extensão quando submetidas à ação do tráfego (MORAIS, 2011).
Previtera (1974) relata que, no Brasil, o amolecimento do revestimento asfáltico ocorre devido às altas temperaturas do ar e à grande absorção de radiação solar. Este amolecimento provoca maiores deformações elásticas e plásticas dos pavimentos sob a ação das cargas. Através de simulações com o programa FEPAVE (Finite Element Analysis of Pavements), mostrou esta
influência. A deformação resiliente estimada para certas circunstâncias de clima de algumas cidades brasileiras, no centro da carga, chegou a ser três vezes maior no verão que no inverno.
Os materiais granulares não ligados incluindo o solo de fundação possuem alguma sensibilidade à variação de temperatura, principalmente diante dos efeitos de temperaturas muito baixas relacionadas à ação do ciclo “gelo-degelo” (PEREIRA e MIRANDA, 1999).
Conforme Franco (2007), a temperatura ao longo do perfil do pavimento se modifica, podendo ser maior ou menor que a temperatura da superfície, conforme os fatores climáticos externos. O gradiente de temperatura gerado ao longo da profundidade do revestimento asfáltico gera um comportamento diferencial à deformação permanente.
De acordo com Balbo (2007), a viscosidade dos asfaltos sofre grandes alterações em função dos efeitos climáticos. As misturas asfálticas herdam as caracteristícas dos asfaltos e as consequências referentes à ação do clima. Em condições de temperaturas elevadas de operação, como é comum ocorrer em regiões de clima tropical ou mesmo árido, as misturas asfálticas podem indicar perda elevada de rigidez associada a uma diminuição apreciável na viscosidade, a ponto de possibilitar a ocorrência de deformações plásticas em trilhas de roda de maneira mais acentuada.
2.8 CLIMA
Conforme Medina (1997), o clima pode ser determinado como um conjunto de fenômenos meteorológicos que definem, durante um longo período, o estado médio da atmosfera e sua evolução em determinado lugar, resultando daí uma combinação de nebulosidade, temperatura, umidade, pressão barométrica, vento, etc.
Os critérios normalmente empregados na definição do clima são a temperatura do ar e a quantidade de chuva, combinados de várias formas. A temperatura é um dos aspectos do clima que deve ser ressaltado no projeto de pavimentos tendo em vista sua atuação específica nos revestimentos e consequente efeito na deformabilidade da estrutura bem como no desempenho (MOTTA, 1991, p. 59).
2.8.1 Clima Brasileiro
O Brasil ocupa uma área de 8,5 milhões de km², sendo que a maior parte desse total está situada entre os trópicos de Câncer e Capricórnio, estando na zona tropical. Somente a região Sul e o sul de São Paulo situam-se abaixo do trópico de Capricórnio e pequena parte da região Norte se encontra acima da linha do Equador (KILPP, 2004 apud KRAJEWSKI, 19??).
A classificação climática exerce, assim, a organização do meio climático em diversas bases, determinando os limites geográficos dos diversos tipos climáticos sobre a superfície terrestre (PITTON, 1985).
Conforme Kilpp (2004), a classificação do alemão Wilhelm Köppen parte da pesquisa em separado dos elementos do clima. Empregando letras maiúsculas (1ª letra) para definir os diferentes tipos de clima e letras minúsculas para a distribuição das chuvas (2ª letra) e médias das temperaturas (3a letra), conforme mostra a Figura 2.
Figura 2: Classificação do clima brasileiro segundo Köppen
Segundo Kilpp (2004), a geógrafa Lysia Maria Cavalcante Bernardes, do Conselho Nacional de Geografia, adaptou a classificação de Köppen para o Brasil. Segundo sua observação, o Brasil tem cinco tipos de clima:
a) Equatorial (Af e Am): possui temperaturas médias elevadas, ausência de estação seca e reduzida amplitude térmica anual;
b) Tropical (Aw e As): possui na maior parte do território brasileiro. As temperaturas são altas, a média é de 25 ºC, e existe uma clara diferença entre a temporada seca (inverno) e a chuvosa (verão);
c) Semi-árido (Bsh): as chuvas são escassas e desiguais: chove menos de 600 mm anuais. As temperaturas são altas o ano todo, ficando em torno de 26 ºC;
d) Tropical de Altitude (Cwa, Cwb e Csa): a média de temperaturas fica em torno de 18 ºC, é mais baixa do que no clima tropical. O índice de pluviosidade sofre influência pela proximidade do oceano. As chuvas são bem distribuídas durante o ano;
e) Subtropical (Cfa e Cfb): possui grande variação de temperatura entre verão e inverno. As chuvas são bem distribuídas durante o ano e não há uma estação seca. Nesta classificação inclui-se a região onde foi realizada a análise da pesquisa.
2.8.2 Clima do Rio Grande do Sul
De acordo com Cunha (2003), o Estado do Rio Grande do Sul localiza-se no extremo sul do Brasil, entre as latitudes de 27º e 34º Sul e as longitudes de 50º e 57º Oeste. O clima do sul do Brasil, por estar quase que inteiramente abaixo do trópico de Capricórnio e por ter grande parte de seu território acima de 300 metros, se diferencia bastante do clima das outras regiões do país. É a única região do país que pode sofrer com fenômenos como neve, chuva congelada e geada. As características são de clima subtropical com chuvas bem distribuídas ao longo do ano. Fatores geográficos, como a continentalidade e a maritimidade e fenômenos referentes com a dinâmica da atmosfera, são essenciais para as principais características climáticas do extremo sul do Brasil.
Conforme Kilpp (2004), pela classificação climática de Köppen, o Rio Grande do Sul localiza-se na zona temperada (C), tipo fundamental úmido (Cf), com duas variedades específicas: subtropical (Cfa) e temperado (Cfb).
Segundo Motta (1991), a radiação solar está intimamente ligada à época do ano, ao período do dia e à latitude. A parcela de radiação solar incidente em determinado local é afetada também pela duração do dia, além da presença ou não de nebulosidade e de água e da altitude do local considerado. Em sua tese de doutorado, afirma que o clima e as condições ambientais são condições que estão diretamente ligados ao desempenho de um pavimento.
2.9 ANÁLISE MECANÍSTICA
Segundo Motta (1979), a possibilidade da utilização de um processo mecanístico para dimensionamento de pavimentos é uma vantagem, pois torna possível compatibilizar as condições geométricas (espessuras) da estrutura com as propriedades dos materiais. Assim, busca-se atingir uma estrutura onde as distribuições de tensões e deformações sejam as mais indicadas para os materiais disponíveis.
Conforme Franco (2007), a primeira etapa de um método analítico para avaliação do desempenho de pavimentos consiste na caracterização das camadas que o constitui. A partir destes elementos, são incluídas as espessuras e os módulos de resiliência nas camadas, além das características da carga aplicada, deve-se estimar a resposta da estrutura através do cálculo das tensões e deformações geradas pelo pavimento para as condições estabelecidas. A teoria da elasticidade é amplamente utilizada para o cálculo dessas tensões e deformações.
No dimensionamento mecanístico são consideradas as condições relacionadas aos fatores ambientais, de tráfego solicitante, propriedades dos materiais utilizados e técnicas de execução para análise inicial dos parâmetros de projeto. Parte-se de espessuras admitidas e calcula seu estado de deformação e tensões que são relacionados a valores limites especificados (MEDINA, 1997).
3 MÉTODO DE PESQUISA
Nos itens a seguir, serão abordadas as estratégias utilizadas para o desenvolvimento da pesquisa e o delineamento utilizado para realização deste trabalho.
3.1 ESTRATÉGIA DE PESQUISA
Segundo Gil (2002), a pesquisa é realizada mediante o concurso dos conhecimentos disponíveis e a aplicação cuidadosa de métodos, técnicas e outros procedimentos científicos. As pesquisas descritivas têm como finalidade primordial a descrição das características de uma população definida ou fenômeno ou, então, o estabelecimento de relações entre variáveis.
Esta é uma pesquisa descritiva (experimental), com o objetivo de verificar, com a utilização de ensaios laboratoriais, como a variação de temperatura afeta as misturas asfálticas. Também, nesta abordagem foi realizada a pesquisa exploratória (bibliográfica) tendo como base os materiais já elaborados sobre o referido assunto e os assuntos importantes para o melhor entendimento da pesquisa.
Segundo Gil (2002), a pesquisa bibliográfica é realizada com base em material já elaborado, composto principalmente de livros e artigos científicos. Embora em quase todos os estudos seja exigido algum tipo de trabalho dessa natureza, há pesquisas desenvolvidas exclusivamente a partir de fontes bibliográficas. Boa parte dos estudos exploratórios pode ser realizada como pesquisas bibliográficas. Já o experimento caracteriza o melhor exemplo de pesquisa científica. Essencialmente, a pesquisa experimental consiste em definir um objeto de estudo, selecionar as variáveis que seriam capazes de influenciá-lo, definir as formas de controle e de observação dos efeitos que a variável produz no objeto.
Em relação a presente pesquisa, foi usada a pesquisa de forma bibliográfica, sendo, portanto, utilizado material já existente e publicado em diversos meios de comunicação. E também sob a forma de estudo de campo, pois foi realizada a coleta dos dados obtidos pelos ensaios laboratoriais.
Segundo Marconi e Lakatos (2003), pesquisas experimentais têm como finalidade testar uma hipótese tipo causa-efeito. Esse tipo de estudo usa projetos experimentais que incluem os seguintes fatores: grupo de controle, seleção da amostra probabilística e manipulação de variáveis independentes com a finalidade de controlar ao máximo os fatores pertinentes. Pode ser utilizada no campo ou no laboratório. No estudo de campo, visa à compreensão de aspectos da sociedade. A pesquisa de laboratório é o estudo de pessoas, animais ou minerais em ambientes controlados, sendo o tipo de pesquisa mais difícil de ser conduzida, mas mais exata.
3.2 DELINEAMENTO
Segundo Calais (2010), o delineamento da pesquisa atinge a parte inicial do trabalho cientifico, é a parte de planejamento da pesquisa e envolve tanto a diagramação quanto a coleta de dados e sua função é proporcionar que novos pesquisadores executem a mesma pesquisa e consigam chegar às mesmas conclusões.
O delineamento do estudo foi realizado conforme Figura 3, primeiramente e ao longo de toda a pesquisa, foi realizada uma pesquisa bibliográfica, onde foram abordados todos os assuntos necessários para o melhor entendimento sobre a influência da temperatura em misturas asfálticas.
Figura 3: Delineamento da pesquisa
Em conjunto com esta etapa foi realizada a definição da mistura asfáltica e a moldagem das amostras. Posteriormente com os corpos de provas já moldados, foram definidas as temperaturas utilizadas e realizado os ensaios laboratoriais (ensaio de resistência à tração por compressão diametral e módulo de resiliência). Após a obtenção destes dados foi realizada a análise mecanística. Por fim, ocorreu uma análise dos resultados obtidos e realizadas as considerações finais.
3.3 PROCEDIMENTOS LABORATORIAIS
Para a caracterização da mistura asfáltica analisada foram realizados a moldagem das amostras, ensaios para a determinação da resistência à tração e módulo de resiliência.
3.3.1 Moldagem das amostras
No Brasil, grande parte dos projetos de misturas asfálticas é realizada utilizando a metodologia Marshall, onde segue-se a norma DNER-ME 043/95.
Primeiramente, foi feita a obtenção da mistura asfáltica pronta em uma usina situada na região noroeste do Rio Grande do Sul. Utilizou-se o projeto da mistura asfáltica da usina, este sendo classificado como Faixa A DAER-ES-P 16/91, conforme Tabela 2.
Tabela 2: Resumo do Projeto Faixa A DAER/RS
O teor de ligante da mistura usinada utilizada na pesquisa ficou dentro dos valores estipulados no projeto da Faixa A do DAER/RS que foi de 5,1 a 5,7 %. O valor do volume de vazios utilizado após a moldagem das amostras também esteve de acordo com o projeto, sendo de 4 %.
A mistura asfáltica foi retirada da usina e armazenada em bandejas. Posteriormente o material foi separado em amostras de 1300 g e reaquecido a uma temperatura de 140ºC, esta definida em projeto e sendo condicionada a esta temperatura por um período de duas horas em estufa. A Figura 4 apresenta as etapas.
Figura 4: Etapas da Moldagem das amostras
A compactação das amostras foi realizada com o compactador manual tipo Marshall. A mistura foi compactada em três camadas dentro de um molde de aço pré-aquecido com acomodação por 15 golpes ao redor do molde e 10 golpes no centro da massa utilizando uma espátula. A energia de compactação utilizada foi de 75 golpes por face.
Durante todo o processo houve um grande cuidado para que as amostras moldadas estivessem dentro do limite do volume de vazios estipulado, o valor de projeto utilizado foi de 4%. Para que as amostras moldadas ficassem dentro do limite estabelecido utilizou a adição e a subtração de 0,40 % no valor, chegando aos valores utilizados de 3,6 a 4,4 % de volume de vazios.
Identificou-se que utilizando a energia de compactação de 75 golpes por face levava a amostras com valores de volume de vazios abaixo do limite estabelecido (3,6 a 4,4%), ocasionando a perda de um grande número de amostras. Sendo assim, optou-se por manter o valor de volume de vazios dentro do limite estabelecido, como principal prerrogativa de projeto, pois a mesma afeta significativamente as propriedades do CA, reduzindo-se assim a energia de compactação para 65 golpes por face.
O volume de vazios (Vv) foi calculado utilizando a equação 1:
(1)
em que,
DMT: densidade máxima teórica; Gmb: densidade aparente da mistura;
Dentro dos limites de volume de vazios estabelecido para a moldagem, foram utilizadas 20 amostras. Posteriormente a compactação, as amostras foram deixadas em repouso durante 24 h à temperatura ambiente e em seguida eram extraídos os moldes utilizando o extrator, que sofriam um leve aquecimento para facilitar a extração. Então as amostras eram identificadas, medidas (quatro alturas), pesadas e após a verificação do volume de vazios (3,6 a 4,4 %), principalmente para garantir o adequado Vv, as amostras foram encaminhadas aos ensaios específicos.
3.3.2 Resistência à Tração por compressão diametral (RT)
O ensaio foi criado pelo professor Fernando Luiz Lobo Carneiro para a determinação da resistência à tração de corpos de prova cilíndricos de concreto de cimento Portland, através de solicitação estática (MEDINA e MOTTA, 2005). Segundo Bernucci et. al (2008), a resistência à tração tem se apresentado um significativo parâmetro para a caracterização de materiais como o concreto de cimento Portland e misturas asfálticas.
Definiu-se que no ensaio de resistência à tração por compressão diametral os corpos de prova seriam submetidos durante duas horas a um condicionamento nas temperaturas de 5ºC, 15ºC, 25ºC e 35ºC em banho maria. A Figura 5 apresenta as etapas do ensaio realizado no LEC (Laboratório de Engenharia Civil) em Ijuí.
Figura 5: Etapas do ensaio de tração
Fonte: Autoria própria
Para o ensaio para a determinação da resistência à tração por compressão diametral nas amostras com diâmetro 10 cm e altura variável, moldadas através do método de Dosagem Marshall, foram seguidas as disposições da Norma DNER-ME 138/94, que baseia-se 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, como mostra a Figura 6.
Figura 6: Estado de tensões gerados durante o ensaio de tração
Fonte: Specht (2004)
Antes de aplicar a carga o corpo de prova foi apoiado sobre uma geratriz em compartimento com temperatura controlada, onde cada um foi exposto a temperatura definida durante duas horas. A medida resultante é a resistência à tração (RT).
A resistência à tração (RT) foi calculada pela equação 2:
2
1 h (2)
em que,
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.
3.3.3 Ensaio de Módulo de Resiliência (MR)
De acordo com Specht (2004), o ensaio de módulo de resiliência é determinado seguindo as indicações da Norma do DNER-ME 133/94: Misturas betuminosas – Determinação do módulo de resiliência.
Conforme Medina (1997), a teoria da elasticidade utiliza a situação de distribuição de tensões e deformações em cilindros carregados diametralmente e possibilita exprimir o módulo de elasticidade em função da força vertical aplicada no CP e do deslocamento horizontal produzido e mensurável, bastando que se conheça o coeficiente de Poisson do material e as dimensões do corpo de prova, conforme equação 3.
1 (3)
em que:
F: carga vertical repetida aplicada diametralmente no CP, em N;
δr: deslocamento elástico ou resiliente para N aplicações de carga, em cm; h: altura do CP, em cm;
μ: coeficiente de Poisson.
O equipamento utilizado para o ensaio é constituído por uma estrutura metálica, um pistão que proporciona um carregamento repetido pulsante com auxílio de um dispositivo pneumático, acoplado a um regulador de tempo e freqüência de 1Hz, como mostra a Figura 7. O equipamento funciona dentro de uma câmara com temperatura controlada. Foram utilizados corpos de prova de 10,0 cm de diâmetro e altura variável. O ensaio foi realizado no Laboratório da Universiddae Federal de Santa Maria.
Figura 7: Etapas do ensaio de módulo de resiliência
Fonte: Autoria própria
Após a aplicação do carregamento, com tempo de 0,1s e 0,9s de repouso, a amostra sofre deformações horizontais, estas medidas através de um LVDT (Linear Variable Differential
Transducer), ligado a um microcomputador. O ensaio é realizado em duas direções, após a
execução do ensaio a amostra é rotacionada em 90º e o ensaio é repetido. O coeficiente de Poisson utilizado para as temperaturas de 5ºC e 15 ºC foi de 0,20, já para as temperaturas de 25ºC e 35ºC foi usado o coeficiente de 0,30. No ensaio foi utilizado o condicionamento das temperaturas em 5ºC, 15 ºC, 25ºC e 35ºC.
3.4 ANÁLISE MECANÍSTICA
Para a realização da análise mecanística foi utilizado o programa computacional Kenpave, com o objetivo de realizar verificações complementares capazes de melhor descrever o comportamento mecânico dos pavimentos. Através das análises realizadas e dos dados obtidos realizaram-se análises de vida de fadiga e deformação permanente do pavimento utilizando modelos bibliográficos.
Uma vez determinada à espessura total do pavimento, em termos de material granular, e fixada à espessura do revestimento, procede-se ao dimensionamento das espessuras das demais camadas, ou seja, da base e sub-base, levando em conta os materiais disponíveis para cada uma delas seus coeficientes.
Definida a estrutura do pavimento rodoviário, esta foi submetida há uma carga para verificação do comportamento deste pavimento em relação à degradação por fadiga e deformação permanente. Foram analisados quatro pontos em sua profundidade.
3.4.1 Definição dos Parâmetros
Na análise foi utilizada uma estrutura de um pavimento composto de de 4 camadas, conforme a Figura 8, que representa as espessuras das camadas do pavimento flexível, o módulo de resiliência e o coeficiente de Poisson.
Figura 8: Estrutura analisada
A estrutura analisada é composta por 4 camadas: uma camada de revestimento asfáltico com espessura variável (8, 12 e 16 cm), módulo de resiliência variável e coeficiente de Poisson variável, utilizando os mesmos valores anteriores para cada temperatura; a base constituída de brita graduada simples com espessura de 15 cm, módulo de resiliência de 250.000 kPa e coeficiente de Poisson de 0,40; sub-base de macadame seco com espessura de 20 cm, módulo de resiliência de 150.000 kPa e coeficiente de Poisson 0,40 e o subleito a espessura da camada é infinito, o módulo de resiliência de 75.000 kPa e coeficiente de Poisson de 0,45.
Foram utilizados valores convencionais para o módulo de resiliência da base, sub-base e subleito, já para o valor de rigidez do revestimento asfáltico foram utilizados os valores encontrados no ensaio de módulo de resiliência, realizando assim três verificações para cada temperatura (15ºC, 25ºC e 35ºC), alterando apenas a espessura da camada de revestimento, utilizando 8, 12 e 16 cm.
Foram adotadas as características para o carregamento como pressão de inflação dos pneus, considerada igual a 0,56 MPa; duas cargas uniformemente distribuídas sobre áreas circulares e carga por eixo: 20,50 kN, conforme Figura 9.
Figura 9: Carregamento
Fonte: Tozevich (2016)
O dimensionamento dos projetos de pavimentação são elaborados a partir de um eixo padrão no caso ESRD com carga de 82 kN no eixo. Para a distribuição do carregamento foi utilizado apenas metade do eixo e assim sendo a metade do carregamento adotando a premissa que na outra metade ocorre à mesma solicitação.
3.4.2 Apresentação do Software Kenpave
Efetuou-se a análise mecanística através do programa computacional Kenpave. A Figura 10 representa a tela inicial do software Kenpave utilizado nas análises mecanísticas da estrutura do pavimento.
Figura 10: Tela inicial do programa de Análise
Fonte: Autoria própria
No menu principal do software Kenpave existe a opção de realizar análises em pavimentos flexíveis e rígidos. A Figura 11 mostra a tela principal software.
Figura 11: Tela principal do programa de Análise
Fonte: Autoria própria
A Figura 12 apresenta a etapa de inserção das coordenadas de análise. Figura 12: Tela de inserção de coordenadas
Fonte: Autoria própria
As coordenadas de análise em Z são as profundidades adotadas nos pontos localizados na estrutura estudada. Os pontos localizados foram no revestimento e na sub-base da estrutura.
As espessuras das camadas e o coeficientes de Poisson são informados na Figura 13. Figura 13: Tela de inserção das espessuras e coeficientes
Fonte: Autoria própria
Na tela anterior é inserida a espessura das camadas e o coeficiente de Poisson de cada uma delas, estes valores foram utilizados em todas as estruturas analisadas, alterando apenas a espessura da camada um (revestimento).
A etapa de inserção dos períodos de análise foi utilizado apenas um período no ano com as mesmas características dos materiais. Na tela seguinte são inseridos os valores de módulo de resiliência para cada camada, como mostra a Figura 14.
Figura 14: Tela de inserção dos valores de módulo
Fonte: Autoria própria
Na etapa de inserção dos valores de módulo de resiliência, os valores foram mantidos os mesmos nas três estruturas analisadas, alterando apenas o valor do módulo para a camada um, onde foram utilizados os valores das temperaturas de 15ºC, 25ºC e 35ºC dos ensaios realizados em laboratório.
A Figura 15 apresenta a tela de realização da inserção de dados da carga. Apresenta a tela onde é realizada a inserção da carga, ou seja, o tipo de carregamento, raio de contato, pressão de contato, centro de espaçamento das duas rodas e o número de coordenadas radiais.
Também é realizada a inserção das coordenadas X e Y, onde o software realizará as análises. Na sequência o arquivo é salvo e inicia-se a análise utilizando os dados informados.
Figura 15: Tela de inserção de dados de carga
Fonte: Autoria própria
O programa gera um gráfico mostrando as camadas da estrutura do pavimento asfáltico, o módulo de resiliência das camadas e os pontos de análises.
4 RESULTADOS
A seguir são apresentados os resultados obtidos na parte experimental da pesquisa, tais como: moldagem das amostras e caracterização mecânica, através dos ensaios de módulo de resiliência e resistência à tração por compressão diametral, como também os resultados da análise mecanística.
4.1 MOLDAGEM DAS AMOSTRAS
Os resultados apresentados a seguir correspondem a uma mistura asfáltica (CA) produzida em uma usina localizada na Região do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, composta por agregados de rocha basáltica e cimento asfáltico de petróleo convencional (CAP 50/70). A Tabela 3 mostra os resultados da moldagem das amostras, apresentando suas dimensões, ensaios e temperaturas aos quais foram submetidos..
Tabela 3: Resultado da moldagem das amostras
Fonte: Autoria própria CP Nº hm (cm) Diâmetro (cm) Ensaio Temperatura ( ºC ) 29 6,48 10,0 RT 5 17 6,41 10,0 RT 5 74 6,41 10,0 RT 5 84 6,42 10,0 MR 5 95 6,42 10,0 MR 5 65 6,37 10,0 RT 15 78 6,35 10,0 RT 15 107 6,56 10,0 RT 15 18 6,42 10,0 MR 15 108 6,46 10,0 MR 15 22 6,47 10,0 RT 25 64 6,4 10,0 RT 25 69 6,45 10,0 RT 25 21 6,42 10,0 MR 25 111 6,43 10,0 MR 25 35 6,5 10,0 RT 35 63 6,4 10,0 RT 35 72 6,38 10,0 RT 35 68 6,4 10,0 MR 35 94 6,36 10,0 MR 35
