EXÉRCITO BRASILEIRO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE TRANSPORTES
MARCOS BALAGUER
AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DE UM PAVIMENTO FLEXÍVEL EXECUTADO EM ASFALTO-BORRACHA ELABORADO PELO
PROCESSO DE PRODUÇÃO CONTÍNUA EM USINA
Rio de Janeiro 2012
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
MARCOS BALAGUER
AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DE UM PAVIMENTO FLEXÍVEL EXECUTADO EM ASFALTO-BORRACHA, ELABORADO PELO
PROCESSO DE PRODUÇÃO CONTÍNUA EM USINA
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Transportes do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.
Orientadores: Prof. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães - D.Sc. e Prof. Ben-Hur de Albuquerque e Silva - D.Sc.
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Rio de Janeiro 2012 c 2012
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 autor e dos orientadores.
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620.1 Balaguer, Marcos.
B171a Avaliação estrutural de um pavimento flexível executado em Asfalto- Borracha, elaborado pelo Processo de Produção Contínua em Usina / Marcos Balaguer; orientado por Antônio Carlos Rodrigues Guimarães, Ben- Hur de Albuquerque e Silva. – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2012.
193 p.: il.
Dissertação (mestrado). – Instituto Militar de Engenharia. – Rio de Janeiro, 2012.
1. Engenharia de Transportes – teses, dissertações. 2. Mecânica dos Pavimentos. 3. Asfalto-borracha. 4. Processo de Produção. I. Guimarães,
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
MARCOS BALAGUER
AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DE UM PAVIMENTO FLEXÍVEL EXECUTADO EM ASFALTO-BORRACHA, ELABORADO PELO
PROCESSO DE PRODUÇÃO CONTÍNUA EM USINA
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Transportes do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.
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Orientadores: Prof. Antonio Carlos Rodrigues Guimarães, D. Sc.
Prof. Ben-Hur de Albuquerque e Silva, D. Sc.
Aprovada em 07 de julho de 2012 pela seguinte Banca Examinadora:
__________________________________________________________
Prof. Antonio Carlos Rodrigues Guimarães, D.Sc., IME - Presidente __________________________________________________________
Prof. Ben-Hur de Albuquerque e Silva, D.Sc., IME
_____________________________________________________
Profª. Maria Esther Soares Marques, D.Sc., IME
_________________________________________________________
Profª. Laura Maria Goretti da Motta, D.Sc., COPPE/UFRJ
________________________________________________________
Leni Figueiredo Mathias Leite, D.Sc., CENPES/Petrobras Rio de Janeiro
2012
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Dedico este trabalho aos meus pais, pelo apoio e incentivo ao longo da vida, aos meus filhos Diogo e Daniela e à minha companheira Andréa, pelo apoio e compreensão.
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais Alberto da Cunha Balaguer (in memoriam) e Magdá Mello Balaguer; aos meus filhos Diogo e Daniela; e à minha companheira Andréa.
Ao Yoga e seus mestres, cuja doutrina me ajudam a forjar um espírito mais perseverante e resistente.
Aos meus orientadores Major Antônio Carlos Rodrigues Guimarães e Major Ben- Hur Albuquerque e Silva, pelos ensinamentos ao longo de todo o curso, principalmente durante a fase experimental da pesquisa e também pela amizade e paciência durante a construção desta dissertação.
Ao Presidente da Fundação DER-RJ, Henrique Alberto Santos Ribeiro, por incentivar o aprimoramento profissional.
Ao colega Ângelo Monteiro Pinto, Diretor da Diretoria de Obras e Conservação da Fundação DER-RJ, por disponibilizar os dados do projeto de restauração da RJ- 122, origem desse trabalho, e autorizar, tanto a coleta de materiais, quanto a minha participação nos ensaios executados no laboratório da obra, fundamentais no desenvolvimento desta dissertação.
Aos professores do Curso de Mestrado em Infraestrutura dos Transportes do IME, pelos ensinamentos transformadores.
À equipe da PG do IME, especialmente ao Sargento Oazen, pela ajuda nas questões administrativas.
Aos colegas de mestrado do IME, turmas de 2009 e 2010, especialmente à colega Adriana Oliveira, pela ajuda na forma final da dissertação.
Ao técnico Jorge Paixão, do Laboratório de Misturas Asfálticas; e ao Professor Salomão Pinto, do Instituto Militar de Engenharia/IME, pela ajuda na execução dos ensaios e camaradagem no dia a dia do laboratório.
À engenheira Ana Maria, da COPPE, pelo tratamento gentil e simpático; e aos Técnicos do Laboratório Professor Jaques de Medina, em especial ao Rodrigo, pela presteza na realização dos ensaios de MR e RT.
Ao engenheiro Celso Medeiros da Dynatest, pela troca de experiências; aos técnicos do laboratório da Dynatest, em especial ao Roque, pela ajuda na coleta dos materiais para ensaios.
Nossa experiência é cheia de enigmas e contradições.
Nossas suposições cotidianas nos impedem de ver esses enigmas e contradições.
Devemos…
… deixar de lado nossas suposições cotidianas.
… reaprender a examinar nossa experiência.
A fim de ver o mundo, temos de romper com nossa aceitação habitual.
Maurice Merleau-Ponty (1908-1961)
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES... 11
LISTA DE TABELAS ... 15
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS... 17
LISTA DE EQUAÇÕES... 24
1 INTRODUÇÃO... ... 27 1.1 Considerações iniciais ... 27
1.2 Objetivo ... 30
1.3 Justificativa e relevância ... 30
1.4 Estrutura da dissertação ... 31
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... ... 33 2.1 O Pavimento ... 33
2.2 Principais fatores de degradação dos pavimentos ... 33
2.2.1 Trincamento por fadiga ... 34
2.2.2 Deformação permanente ... 36
2.2.3 Excesso de carga ... 37
2.2.4 Envelhecimento do ligante ... 38
2.3 Ligantes Asfálticos ... 40
2.3.1 Classificação dos ligantes e ensaios correntes ... 42
2.3.2 Modificadores de Ligantes – Polímeros... ... 47 2.4 Agregados ... 48
2.5 Misturas asfálticas ... 49
2.5.1 Propriedades mecânicas das Misturas Asfálticas... ... 53 2.5.1.1 Estabilidade Marshall ... 53
2.5.1.2 Dano por umidade induzida ... 53
2.5.1.3 Resistência à tração por compressão diametral ... 54
2.5.1.4 Módulo de resiliência ou resiliente ... 54
2.5.1.5 Resistência à fadiga ... 56
2.5.1.6 Deformação permanente ... 58
2.6 Análise numérica de pavimentos – Sispav ... 59
2.7 Simuladores de Tráfego ... 60
3 MISTURAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS COM BORRACHA...
...
64
3.1 O descarte de pneus ... 64
3.2 Legislação ambiental ... 66
3.3 Breve histórico do uso do AMB ... 67
3.4 Benefícios da utilização da borracha nas propriedades do ligante ... 67
3.5 Métodos de incorporação da borracha ao ligante ... 71
3.5.1 Processo Úmido ... 72
3.5.1.1 Mistura Contínua em Usina... ... 73 3.5.1.2 Terminal Blend ... 76
3.5.2 Forma de produção pelo processo seco (Via Seca) ... 78
3.6 O uso de diluentes (óleo extensor) na mistura ... 79
3.7 Processos de moagem da borracha ... 80
3.7.1 Processo Ambiente ... 80
3.7.2 Processo Criogênico ... 82
3.7.2.1 Etapas do processo de trituração criogênico... 82
3.8 Experiência Brasileira Utilizando o Asfalto Borracha pelo processo de Produção Continuous Blend... 84 3.9 Experiência Americana Utilizando Asfalto Borracha... ... ... 85 4 APRESENTAÇÃO DO PROJETO DE RESTAURAÇÃO DA RODOVIA RJ-122... 88
4.1 Introdução... ... 88 4.1.1 Identificação da rodovia (Sistema Rodoviário Estadual)... 88
4.1.2 Localização... 89
4.2 Dados Coletados para o Projeto... ... ... 90 4.2.1 Tráfego... ... 91 4.2.2 Avaliação Funcional... ...Localização... . 95 4.2.3 Avaliação Estrutural... anual... 98 4.3 Dimensionamento proposto para a restauração ... 99
4.4 Critérios adotados para a seleção de materiais ... 101
4.4.1 Agregados ... 101
4.4.2 Borracha de pneus ... 103
4.4.3 Misturas asfálticas ... 105
4.5 Controle do processo de produção tecnológica ... 106
4.6 Usina utilizada para produção do AMB ... 107
4.7 Estimativa do número de pneus usados na obra... 110
4.8 Redução de espessura em pavimentos que utilizam misturas com asfalto-Borracha ... 114 Asfalto-Borracha 5 MATERIAIS E METODOS... 116
5.1 Introdução... 116
5.2 Fluxograma das etapas do trabalho ... 117
5.2.1 Análise do Projeto ... 118
5.2.2 Coleta de materiais granulares asfálticos ... 118
5.2.3 Caracterização dos materiais ... 118
5.2.4 Caracterização Superpave ... 118
5.2.5 Avaliação numérica da estrutura do Pavimento... ... 119 5.2.6 Ensaio Acelerado em escala real – HVS... ... 119 5.2.7 Monitoramento do Trecho Experimental... 119
5.3 Ensaios executados ... 120
5.4 Procedimentos para preparação dos corpos de prova usados nos ... Ensaios Mecânicos... 120
5.5 Coleta dos materiais ... 121
5.6 Simulação acelerada de tráfego – HVS ... 123
6 RESULTADOS OBTIDOS ... 126
6.1 Materiais Escavados... 125
6.2 Agregados ... 128
6.2.1 Ensaio de densidade real e aparente do agregado ... 132
6.2.2 Ensaio de Perda por abrasão Los Angeles ... 132
6.2.3 Ensaio de Granulometria do Agregado após Extração de ligante ... 133 6.2.4 Avaliação dos agregados utilizados ... 136
6.3 Borracha de pneus ... 136
6.4 Ligantes asfálticos modificados com borracha ... 140
6.4.1 Caracterização do ligante modificado ... 141
6.4.2 Recuperação elástica ... 146
6.4.3 Caracterização Superpave ... 147
6.4.4 Correlação entre os parâmetros Jnr ,e G*/senδ com a Deformação Permanente... 149
6.5 Caracterização do Ligante Convencional...
...
152 6.6 Misturas asfálticas Modificadas - Gap e Open...
...
153 6.6.1 Propriedades volumétricas das Misturas Asfálticas Modificadas
com ...
153 Borracha...
6.6.2 Caracterização mecânica das misturas asfálticas modificadas...
...
155 6.6.2.1 Ensaio de Módulo Resiliente e Resistência à Tração...
...
156
6.6.2.2 Determinação da vida de fadiga das misturas ... 161
6.7 Capacidade do Simulador de Tráfego utilizado na RJ-122... 163
6.7.1 Ensaio com HVS no segmento monitorado... ... 163 7 AVALIAÇÃO NUMÉRICA DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DO PAVIMENTO ATRAVÉS DO PROGRAMA SISPAV... ... 168 7.1 Levantamentos deflectométricos no segmento monitorado... 174
7.1.1 Determinação das bacias de cálculo ... 174
7.2 Análise 3D do pavimento utilizando o programa EFin 3D... ... 176 8 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES... 183
8.1 Conclusões ... 183
8.2 Sugestões para futuros trabalhos ... 184
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 186
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 2.1 Trincas de fadiga da Rodovia RJ-122 ...
35
FIG. 2.2 Redução da vida útil causada pela sobrecarga por eixo ...
38
FIG. 2.3 Envelhecimento do ligante asfáltico (TONIAL, 2001).. ...
39
FIG. 2.4 Vista geral do Simulador de tráfego (HVS) usado na RJ-122...
61
FIG. 2.5 Vista da pista no interior do Simulador HVS – RJ-122...
62
FIG. 2.6 Treliça para medir o afundamento – RJ-122...
62
FIG. 2.7 Simulação de chuva com espargimento d’água através de mangueiras RJ-122...
63
FIG. 2.8 Detalhe dos Sensores contadores das passagens de roda no HVS – RJ- 122...
63
FIG. 3.1 Depósito de Pneus nos EUA...
65
FIG. 3.2 Disposição de pneu irreversível em um mangue de Aracaju...
65
FIG. 3.3 Incêndio de 6 milhões de pneus – Califórnia, USA...
66
FIG. 3.4 Porcentagem de trincas versus idade de serviço em AMB e HMA...
69
FIG. 3.5 Composição dos pneus radiais para automoveis...
70
FIG. 3.6 Esquema de produção do Ligante asfalto-borracha CB...
75
FIG. 3.7 Esquema de produção do AMB pelo processo CB...
76
FIG. 3.8 Aspecto do ligante / TB ...
78
FIG. 3.9 Aspecto do ligante / CB ...
78
FIG. 3.10 Pneus já sem os talões de aço, prontos para trituração...
80
FIG. 3.11 Linha de produção pelo processo de moagem – Ambiente na empresa Ecobalbo...
81
FIG. 3.12 Aspiração do nylon extraído dos pneus na moagem...
81
FIG. 3.13 Borracha moída embalada em sacos de 1.000kg...
82
FIG. 3.14 Esquema de Trituração pelo processo...
83
FIG. 3.15 Custos de manutenção por milha de pista (USA $)...
87
FIG. 4.1 Mapa de Localização da RJ-122 ...
89
FIG. 4.2 km 24,5 - Trincas tipo couro de jacaré na RJ-122 ...
96
FIG. 4.3 km 19 – Borda lateral da Pista com acúmulo de água de chuva ...
97
FIG. 4.4 km 24,5 – acostamento da pista encharcado após chuva...
97
FIG. 4.5 km 24-9 - Trincas com destacamento de bloco...
97
FIG. 4.6 Deflectometria do segmento monitorado...
98
FIG. 4.7 Seção Transversal do projeto de restauração dos 35,9km de extensão...100 FIG. 4.8 Distribuição granulométrica da borracha ...
104
FIG. 4.9 Grão intermediário de borracha...
105
FIG. 4.10 Operário da Dynatest extraindo amostras da pista com sonda rotativa na estaca 1408, dentro do segmento monitorado...
107
FIG. 4.11 Figura esquemática da usina de produção ...
108
FIG. 4.12 Vista da usina UACF 17 P-2 (Ciber) da RJ-122...
109
FIG. 4.13 Borracha moída sendo adicionada ao tanque de mistura ...
110
FIG. 4.14 Esquema de Alimentação da máquina trituradora de pneus para a composição da borracha moída desta obra ...
110
FIG. 4.15 Seção transversal esquemática da restauração ...
111
FIG. 4.16 Figura ilustrativa da proporção de pneus usados segundo
Edel (2002) ...
113
FIG. 4.17 Alimentação inicial da máquina de moagem de pneus ...
113
FIG. 5.1 Perfil longitudinal do trecho monitorado ...
116
FIG. 5.2 Fluxograma das etapas do trabalho ...
117
FIG. 5.3 Relação dos ensaios e locais onde foram feitos...
120
FIG. 5.4 Coleta do Ligante Modificado no Extravasor do Combo...
122
FIG. 5.5 Aferição / Calibragem da carga do eixo...
124
FIG. 6.1 Recolhimento de agregados na pilha de peneiramento primário no canteiro de obrasda RJ-122...
129
FIG. 6.2 Recolhimento de agregados para ensaio (silo frio), no canteiro de obras da RJ-122 ...
129
FIG. 6.3 Coleta de agregados no secador (silo quente) ...
130
FIG. 6.4 Ensaio de granulometria após extração do ligante ...
130
FIG. 6.5 Aspecto dos agregados antes e após ensaio Los Angeles...
131
FIG. 6.6 Aspecto de amostra lamelar dos agregados – Pedreira Morro Grande...
131
FIG. 6.7 Enquadramento granulométrico da mistura GAP GRADED...
135
FIG. 6.8 Enquadramento granulométrico da mistura OPEN GRADED...
136
FIG. 6.9 Gráfico do Enquadramento granulométrico das amostras de borracha moída deste estudo ...
138
FIG. 6.10 Aspecto da borracha moída utilizada nesta pesquisa...
139
FIG. 6.11 Ensaio Granulométrico da borracha moída utilizada nesta pesquisa...
139
FIG. 6.12 Equipamento misturador de AMB no Laboratório Dynatest...
141
FIG. 6.13 Mistura da borracha ao ligante no laboratório da obra...
141
FIG. 6.14 Consistência do ligante modificado ...
144
FIG. 6.15 Viscosidade versus Tempo de Reação...
145
FIG. 6.16 Influência da porcentagem de borracha nas propriedades do LMB..
146
FIG. 6.17 Recuperação elástica – asfalto convencional versus modificado...
147
FIG. 6.18 Resultados da deformação permanente no ensaio com equipamento ALF do FHWA...
150
FIG. 6.19 Comparação Gráfica entre parâmetros Jnr (kPa-1) do ensaio MSCR do FHWA (2001) com o resultado do ensaio com o ligante produzido na RJ-122...
150
FIG. 6.20 Comparação Gráfica entre parâmetros G*/senδ (kPa) a 64ºC, do ensaio do FHWA (2011) com o resultado do ensaio com o ligante produzido na RJ-122 ...
151
FIG. 6.21 Resultados da deformação permanente na I-55/USA...
152
FIG. 6.22 Vistas do Ensaio de MR feito no laboratório do IME ...
156
FIG. 6.23 Vistas do Ensaio de MR feito no laboratório do IME ...
156
FIG. 6.24 Resultado comparativo de RT entre as misturas estudadas nesta Pesquisa...
160
FIG. 6.25 Vida de Fadiga x Diferença de tensões da amostra OG em estudo.
162
FIG. 6.26 Vida de Fadiga x Deformação Específica Resiliente da amostra OG em estudo ...
162
FIG. 6.27 Deflexão medida dentro do HVS com VB, no segmento monitorado deste
estudo ...
165
FIG. 6.28 Afundamento na trilha de roda medida com Viga Benkelman (VB) no segmento monitorado desse estudo ...
166
FIG. 6.29 Valores de macrotextura medida com mancha de areia, no segmento monitorado desse estudo...
167
FIG. 6.30 Micro rugosidade medida com Pêndulo Britânico, no segmento monitorado desse estudo ...
167
FIG. 7.1 Tela com a análise de vida de projeto da RJ-122...
169
FIG. 7.2 Tela com dados de tráfego da RJ-122...
169
FIG. 7.3 Tela com dados pluviométricos da RJ-122...
170
FIG. 7.4 Tela com modelo de fadiga de misturas asfálticas usado ...
170
FIG. 7.5 Tela com o modelo de comportamento para deflexões admissíveis.
171
FIG. 7.6 Tela com o modelo de comportamento para deformação permanente de mistura asfáltica...
171
FIG. 7.7 Tela com o modelo de comportamento para tensão no topo do subleito...
172
FIG. 7.8 Tela com o resultado para o dano acumulado relativo à fadiga na base da
camada de GG (eixo x) ...
172
FIG. 7.9 Tela com o resultado para o dano acumulado relativo à fadiga na base da
camada de GG (eixo y) ...
173
FIG. 7.10 Tela com o resultado do dano acumulado relativo à deflexão máxima na superfície da camada de GG ...
173
FIG. 7.11 Tela com resultado para o dano acumulado relativo à tensão máxima no
topo da camada de GG ...
174
FIG. 7.12 Comparação entre bacias deflectométricas antes e após a obra no segmento monitorado ...
176
FIG. 7.13 Configuração do estado de tensões no ponto a em (x; y; 7cm), ou seja, na base da camada de GG...
177
FIG. 7.14 Variação da tensão nas 3 direções...
178
FIG. 7.15 Determinação da vida de fadiga da Camada de Open Graded...
179
FIG. 7.16 Dados das espessuras das camadas asfálticas e seus MR...
180
FIG. 7.17 Dados da configuração do carregamento adotado...
180
FIG. 7.18 Malha de elementos finitos calculada...
181
FIG. 7.19 Tela do Resultado do cálculo da análise 3D...
181
LISTA DE TABELAS
TAB. 3.1 Redução de ruído: Asfalto-borracha X Asfalto Convencional...
71
TAB. 3.2 Comparação das propriedades físicas das borrachas moídas nos processos Ambiente e Criogênico ...
83
TAB. 4.1 Número de eixos equivalentes...
92
TAB. 4.2 Cálculo do N acumulado para 20 anos ...
92
TAB. 4.3 Metodologia para determinação dos pesos equivalentes para cada eixo...
93
TAB. 4.4 N Calculado pela metodologia DNIT, a partir dos pesos medidos nos postos de pesagem ...
94
TAB. 4.5 N Calculado pela metodologia DNIT, considerando os pesos limite da Lei
da balança...
95
TAB. 4.6 Critérios de Seleção – Gap Graded ...
102
TAB. 4.7 Granulometria exigida - Gap Graded ...
102
TAB. 4.8 Critérios de seleção - Open Graded ...
103
TAB. 4.9 Granulometria exigida - Open Graded...
103
TAB. 4.10 Critérios de dosagem – Gap Graded ...
106
TAB. 4.11 Critérios de dosagem – Open Graded ...
106
TAB. 4.12 Cálculo da quantidade de pneus utilizados na RJ-122...
112
TAB. 4.13 Valores de espessuras recomendadas pelo CALTRANS (1992) e a posição apresentada no trabalho de Fontes et al. ...
115
TAB. 5.1 Temperaturas ...
123
TAB. 6.1 Resultados do Controle de compactação da camada de base ...
127
TAB. 6.2 Resultados do Controle de compactação - camada de sub-leito...
128
TAB. 6.3 Densidade dos Agregados / ensaiados no Laboratório do IME...
132
TAB. 6.4 Perda por abrasão Los Angeles – Pedreira Morro Grande ...
132
TAB. 6.5 Granulometria após extração do ligante / Gap Graded...
134
TAB. 6.6 Granulometria após extração do ligante / Open Graded ...
134
TAB. 6.7 Correção dos teores de ligantedas misturas GG e OG...
134
TAB. 6.8 Enquadramento granulométrico da borracha moída deste estudo...
137
TAB. 6.9 Comparação das Propriedades dos ligantes Modificados com borracha...
143
TAB. 6.10 Estudo de viscosidade com diferentes concentrações de borracha moída ...
144
TAB. 6.11 Tabela com os resultados da caracterização Superpave do ligante modificado...
148
TAB. 6.12 Caracterização do ligante CAP 30/45 utilizado nesse estudo...
153
TAB. 6.13 Características Marshall das camadas de GG e OG – segmento monitorado da RJ-122 desta pesquisa ...
155
TAB. 6.14 Valores dos ensaios MR e RT (COPPE e IME, 2011)...
159
TAB. 6.15 Comparando MR e RT de misturas variadas...
160
TAB. 6.16 Características de fadiga a tensão controlada das misturas estudadas neste trabalho comparada a uma mistura convencional...
162
TAB. 6.17 Operações equivalentes simuladas com HVS no trecho monitorado desta
pesquisa...
164
TAB. 7.1 Média das Deflexões nos dois períodos dentro do segmento
monitorado...
174
TAB. 7.2 Estudo Estatístico das Deflexões medidas a cada 40 metros, no Segmento monitorado – antes da obra ...
175
TAB. 7.3 Estudo Estatístico das Deflexões medidas a cada 20 metros, no Segmento monitorado – após da obra ...
175
TAB. 7.4 Tensões ao longo da espessura do Pavimento ...
177
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ABREVIATURAS
AASHTO - American Association of State Highway and Transportation Officials
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas ABPv - Associação Brasileira de Pavimentação ADOT - Arizona Department of Transportation AI - Asphalt Institute
AMB - Asfalto Modificado com Borracha APA - Asphalt Pavement Analyzer AR-AC - Asphalt Rubber Asphalt Concrete ARHM-GG - Asphalt Rubber Hot Mix – Gap Graded ASTM - American Society for Testing and Materials ATR - Afundamento de trilha de roda
B - Constante ou coeficiente experimental
B - Parâmetro de regressão
B - Espessura de base
CALTRANS - California Department of Transportation CAP - Cimento Asfáltico do Petróleo
CAUQ - Concreto Asfáltico Usinado a Quente
CB - Continuous blend
CBR - California Bearing Ratio (Índice de Suporte Califórnia) CBUQ - Concreto Betuminoso Usinado a Quente
CENPES - Centro de Pesquisas da Petrobrás CGS - Sistema Centímetro-Grama-Segundo CNT - Confederação Nacional do Transporte CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente
CONSULPAV - Empresa consultora responsável pelo projeto da RJ-122 CRM - Crumb Rubber Modifier
DA - Densidade aparente
DMT - Densidade máxima teórica
d e D - Malhas de abertura de peneiras deq - Diâmetro equivalente
D - Deslocamento
D - Diâmetro médio da mancha de areia DC - Crescimento do comprimento da fenda
DN - Ciclo de carga
DGAC - Dense Graded Asphalt Concrete
DNER - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT - Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes DSR - Dynamic Shear Rheometer
DTT - Direct Tension Test
e - Espessura do corpo de prova
e - Número neperiano
E - Módulo de Rigidez
E - Módulo dinâmico
E* - Módulo complexo ou módulo complexo de rigidez
|E*| - Valor absoluto do módulo complexo, também denominado de módulo dinâmico
E∞ - Módulo puramente elástico
E1 - Componente real do módulo complexo
E2 - Componente imaginária do módulo complexo
EA - Equivalente de areia
ESAL - Equivalent Simple Axle Loads EM - Especificação de material
EM - Especificação Nacional
ES - Especificação de serviço EVA - Ethylene Vinyl Acetate
F - Força
FC - Fator de carga
FC-1 - Trincas com abertura superior à das fissuras e menores que 1,0 mm
FC-2 - Trincas com abertura superior a 1,0 mm e sem erosão nos bordos
FC-3 - Trincas com abertura superior a 1,0 mm e com erosão nos bordos
Fr - Frequência
FR - Fator climático regional
FR60 - Valor do atrito FRS à velocidade de 60 km/h FR - Medida do atrito (microtextura)
FV - Fator de veículos
FDOT - Florida Department of Transportation FHWA - Federal Highway Administration FWD - Falling Weight Deflectometer G - Módulo de relaxação por corte
G' - Módulo de armazenamento
G'' - Módulo dissipativo ou de perda
G* - Módulo de corte complexo
Hn - Espessura de camada do pavimento com CBR = n
H - Profundidade da camada
Hm - Espessura total de pavimento necessária para proteger um material
Ht - Espessura total do pavimento necessária para proteger o solo de fundação
H20 - Espessura de pavimento sobre a sub-base HVS - Heavy Vehicle Simulator
HMA - Hot Mix Asphalt
IBP - Instituto Brasileiro do Petróleo IST - Índice de susceptibilidade térmica
Jnr - Parâmetro Superpave relacionado à Deformação Permanente K - Fator de intensidade de tensão
K - Extensão para a vida de fadiga de 1 milhão de ciclos K - Módulo de relaxação volumétrico
K∞ - Módulo volumétrico, associado a um carregamento de duração infinita
kTR - Fator de intensidade de tensão
KTR - Potencial de trincamento do pavimento K1, K2 - Constantes experimentais
LMB - Ligante Modificado com Borracha L - Comprimento da amostra
Le - Comprimento efetivo
M - Variação em massa
MB - Macadame betuminoso em camada de base
MDB - Mistura betuminosa densa em camada de regularização
ME - Método de ensaio
m - Módulo de relaxação (creep rate) m - Constante experimental
Ma - Massa do material agregado Mv - Massa de vazios (ar)
MR - Módulo Resiliente
MSCR - Multiple Stress Creep Recovery – Ensaio Superpave N - Número de repetições do eixo simples padrão de 80 kN N - Vida previsível de reforço
NAEP - Número acumulado de eixo padrão
Ni - Número de aplicações até à ruína de tensão σi ou extensão εi Nf - Resistência à fadiga, representada pelo número de ciclos NDOT - Nevada Department of Transportation
p - Percentagem de material que passa P - Carga do rodado ou carregamento PA - Ponto de amolecimento
PEN - Penetração
PG - Performance Grade
PI - Índice de penetração
PI - Propriedades dos materiais constituintes
Pi+1 - Novas propriedades dos materiais constituintes PAV - Pressure Aging Vessel
PCG - Prensa de corte giratório
PRO - Procedimento
RCD - Reflective Cracking Device
R - Espessura de revestimento
RBV - Relação betume vazio
RTFOT - Rolling Thin-Film Oven Test RRT - Resistência residual à tracção
R.T - Relatório Técnico
RUMAC - Rubber-Modified Asphalt Concrete
S - Rigidez
S - Amplitude do carregamento aplicado S0 - Rigidez inicial
SbG - Sub-base granular
Si - Esforços
SAM - Stress Absorving Membrane
SAMI - Stress Absorving Membrane Interlayer SBR - Styrene Butadiene Rubber
SBS - Styrene Butadiene Copolymer
SHRP - Strategic Highway Research Program
SI - Sistema Internacional
SGC - Compactador giratório SUPERPAVE SUPERPAVE - Superior Performing Asphalt Pavement
t - Tempo
t - Período de projeto
T - Temperatura dos materiais Tar - Temperatura do ar
TD - Tempo de digestão
TR - Temperatura de referência
Tmáx - Temperatura máxima do pavimento medida em 7 dias consecutivos
Tmín - Temperatura mínima do pavimento
Tx - Macrotextura
TxDOT - Texas Department of Transportation
TB - Terminal Blend
TFOT - Thin Film Oven Test
USA - United States of America (Estados Unidos) USACE - United States Army Corps of Engineers V - Volume de areia padrão
VAM - Volume de vazios no agregado mineral Vv - Volume de vazios
VMD - Volume médio diário de veículos que passam na faixa da via mais solicitada
WT - Wheel Tracking
SÍMBOLOS
Su - Resistência não-drenada ao cisalhamento
cv - Coeficiente de adensamento vertical
eo - Índice de vazios
a - Atividade
LC - Limite de Contração
LP - Limite de Plasticidade
LL - Limite de Liquidez
IP - Índice de Plasticidade
c - Coesão
H - Altura da palheta
D - Diâmetro da Palheta
T - Máximo Valor Medido do Torque
qc - Resistência de ponta medida no ensaio de cone
u - Poropressão
P - Força por Unidade de Comprimento Atuando em
um Cilindro
d - Diâmetro do Cilindro
Nb - Fator de Barra
Eo - Módulo de Young
Kn - Rigidez de Contato Normal
Ks - Rigidez de Contato Cisalhante
Kn - Rigidez Normal
un - Sobreposição dos Elementos
cn - Amortecimento Normal
Fn - Força de Contato na Direção Normal
vt ct - Parcela de Amortecimento na Direção Tangencial
vt - Velocidade Relativa Tangencial
Kt - Rigidez Tangencial
σ'vm - Tensão de sobreadensamento
τf - Resistência ao cisalhamento
σ - Tensão normal no plano de ruptura
φ - Ângulo de Atrito Interno do Solo
σ3 - Tensão de confinamento ou tensão confinante
σ1 - Tensão desvio
fS - Resistência por atrito lateral do cone
α - Fator de adesão
φpico - Ângulo de Atrito Interno de Pico
φres - Ângulo de Atrito Interno Residual ψpico - Ângulo de Dilatância de Pico
µ - Ângulo de Atrito entre os Elementos
v - Coeficiente de Poisson
βr - Coeficiente de Rigidez de Rolamento
ηr - Coeficiente de Rolamento Elástico Limite
σE - Tensão de Escoamento
εr - Deformação Longitudinal Específica de Ruptura
LISTA DE EQUAÇÕES
EQ. 2.1 Equação geral do Módulo Resiliente ... 54 EQ. 2.2 Equação de Fadiga por Diferença de tensões ………..
57
EQ. 2.3 Equação de Fadiga por Tensão de tração ………... 57 EQ. 2.4 Equação de Fadiga por Deformação de tração inicial ………..
57
EQ. 4.1 Conversão dos pesos dos veículos para eixos de 86KN ...
91
EQ. 7.1 Cálculo do raio de curvatura...
174
EQ. 7.2 Cálculo da Diferença de tensões por diferença vetorial...
178
RESUMO
Nesta dissertação, foi feita uma avaliação estrutural de um segmento de 300 metros, denominado “Segmento Monitorado”, que é parte integrante da obra de restauração do pavimento da RJ-122, rodovia com extensão total de 35,9 km, pertencente à malha rodoviária da Fundação DER-RJ. A restauração do segmento monitorado foi executada em asfalto-borracha pelo processo de produção Contínua em Usina, também chamado de Continuous Blend, Just in Time ou Field Blend. Tal processo de produção caracteriza-se por produzir um ligante modificado com borracha com alta viscosidade e por ser fabricado no próprio canteiro (produção “in situ”), atendendo ao ritmo de execução da obra. Essa avaliação estrutural tem o objetivo de desenvolver um modelo futuro de previsão de desempenho para rodovias com características semelhantes. A restauração em pauta constituiu a primeira experiência nacional com esse processo de produção de ligante modificado com borracha, o que atribui caráter inovador à obra. Além do fator inovação, o processo de produção contínua em usina, associa um forte apelo na questão da preservação ambiental pelo uso de pneus inservíveis em sua produção, pois tal iniciativa resulta na retirada de inúmeras carcaças de pneus que contaminam o meio ambiente. Entretanto, não bastaria que uma solução fosse simplesmente pioneira e ambientalmente correta caso não houvesse um ganho de qualidade nas características mecânicas do asfalto e não fosse uma solução economicamente viável que resultasse no aumento da vida útil do pavimento, o que ficou comprovado no uso dessa técnica nas últimas décadas, principalmente em países como Estados Unidos, Portugal e África do Sul.
Para a produção do Asfalto-Borracha da restauração da RJ-122, foi utilizado o CAP30-45 e a borracha de pneus foi obtida pelo processo de moagem em temperatura Ambiente. Serão apresentados nesse trabalho os resultados dos ensaios de avaliação do comportamento mecânico das misturas asfálticas modificadas com borracha, tais com MR, RT e fadiga, além da caracterização reológica tradicional e Superpave do ligante produzido. Fez-se também a simulação numérica do comportamento estrutural e previsão do desempenho do pavimento, utilizando-se o programa SisPav. Os resultados dos ensaios e da avaliação numérica mostraram que tanto o ligante asfáltico quanto as misturas asfálticas, apresentaram bom comportamento. A vida útil do pavimento calculada pelo Programa Sispav mostrou-se compatível com aquela projetada pela consultoria contratada pela Fundação DER-RJ, e também comprovado através dos ensaios acelerados realizados com o simulador de tráfego (HVS).
ABSTRACT
In this work was made a structural evaluation of a 300 meters segment, called Segment Monitored which is part of the restoration work of RJ-122, highway with a total length of 35.9 km, belonging to the Fundação DER-RJ. The restoration of the monitored segment was made on asphalt rubber by Continuous Blend production process, also called Field Blend. This production process is characterized by producing a binder with high viscosity and be fabricated on the construction site ("in situ"), according to the needs and pace of construction work. This structural evaluation aims to develop a model to predict future performance for roads with similar characteristics. The restoration in question was the first national experience with this process of production of asphalt rubber, which gives an innovative character to work. Besides the innovation factor, the CB process combines a strong appeal on the issue of environmental preservation by the use of scrap tires in its production, because this initiative results in the removal of numerous scrap tires from the environment. However, it is not enough that a solution be simply pioneer and environmentally correct if there wasn’t a quality gain in the mechanical properties of the asphalt, and was not an economically feasible solution that results in the life time increasing of the pavement, which was proved in using this technique in recent decades, especially in countries like the United States, Portugal and South Africa.
For the production of Asphalt-Rubber restoration of RJ-122 was used CAP30-45 and the ground rubber was obtained by ambient process. Will be presented in this work the results of evaluate tests of the mechanical behavior of asphalt rubber mixtures such with MR, RT and fatigue, and the rheological characterization of traditional and Superpave binder produced. There was also a numerical simulation of structural behavior and prediction of performance of pavement using the program SisPav. The test results and the numerical evaluation showed that both the asphalt binder as the asphalt mixtures showed good behavior. The estimated useful life of the pavement by the Program Sispav was compatible with that projected by consultants hired by the Foundation DER-RJ, and also demonstrated through accelerated tests conducted with the traffic simulator (HVS).
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Um sistema de transportes terrestre seguro e eficiente é um elemento essencial para a sustentabilidade econômica regional e nacional. As rodovias são a espinha dorsal da rede de transportes terrestre, cuja mobilidade impulsiona o crescimento econômico e promove as atividades sociais. Quanto mais avançados e velozes ficaram os meios de transporte ao longo do tempo, maior ficou o ritmo de crescimento e sofisticação das atividades econômicas da sociedade humana, o que fez multiplicar a importância do papel das rodovias. Ao mesmo tempo, o potencial adverso dos impactos oriundos do desenvolvimento rodoviário aumentou em magnitude, especialmente quando planejamento, projeto e construção não são realizados adequadamente. Para explorar completamente os benefícios do desenvolvimento rodoviário e minimizar as possíveis influências adversas, o estudo da engenharia de rodovias precisa expandir as atenções a além de simplesmente oferecer acesso seguro e rápido de um ponto a outro, ou seja, além de cobrir aspectos estruturais e funcionais, esta engenharia precisa focar aspectos como impactos ambientais e sócio-econômicos do desenvolvimento da rede rodoviária (FWA, 2006).
A matriz de transportes brasileira é majoritariamente rodoviária. Segundo relatório de 2011 da Confederação Nacional de Transportes (CNT), 61,1% da movimentação anual de cargas e passageiros são feitos pelo modal rodoviário, o que faz com que nossas rodovias sejam o principal meio de circulação de bens e pessoas. Com o atual estágio de crescimento da produção agrícola, onde anualmente o Brasil bate recordes na produção de grãos, além do crescimento de setores industriais que estão se valendo da cotação baixa do dólar para comprar máquinas novas no exterior visando aumento de produção, as rodovias são colocadas na ordem do dia dos investimentos em infraestrutura rodoviária, tanto nas esferas de governos municipais, estaduais e federal quanto da iniciativa privada através de concessões e parcerias público-privadas. Os investimentos devem ser direcionados para a solução dos gargalos impostos ao transporte rodoviário. Tais
gargalos são encontrados principalmente nas deficiências de geometria dos traçados, na sinalização das vias e principalmente no mau estado de conservação dos pavimentos.
Uma pesquisa realizada pelo Instituto Ilos (Instituto de Logística e Supply Chain) em 2010, com cerca de 15 mil profissionais de logística das maiores empresas do Brasil, revelou que 92% deles apontaram a má qualidade das estradas como o principal problema de infraestrutura do pais. Ainda de acordo com o Instituto Ilos, para que as estradas atuais sejam avaliadas como boas ou ótimas, é preciso investir R$ 64,7 bilhões em recuperação e R$ 747 bilhões em pavimentação das estradas em leito natural.
Como consequência destas deficiências, verifica-se um aumento no tempo de transporte, perdas significativas dos produtos transportados e um grande número de acidentes. Pode-se afirmar, mesmo intuitivamente, que a qualidade das rodovias tem relação direta com os preços de bens e serviços. Portanto, melhorar a infraestrutura rodoviária ajudará na redução do chamado “Custo Brasil”, termo utilizado para descrever a perda de competitividade dos produtos brasileiros frente aos importados.
A vida útil dos pavimentos é reduzida, algumas vezes de forma exponencial, por fatores alheios às boas práticas da engenharia como, por exemplo, a má execução das obras (má compactação das camadas dos pavimentos), falta de drenagem ou drenagem inadequada e também pelo excesso de peso dos veículos de carga, o que não é coibido na maioria das rodovias.
Planejamento é a palavra chave para que tantas demandas possam ser cumpridas de forma eficiente e se reverta o quadro atual. Verifica-se que o cenário nacional de obras públicas é marcado por atrasos motivados por inúmeros fatores, desde exigências ambientais não propriamente respeitadas na execução de obras, passando por projetos executivos sem o devido tempo de maturação, onde as alternativas, tanto técnicas quanto financeiras, não são exaustivamente avaliadas e precisam ser corrigidas durante a obra, até exigências de concessionárias de rodovias não consideradas durante a fase de projeto, o que também pode gerar atrasos indesejáveis.
Dentre as medidas que deveriam ser postas em prática para que o resultado final de uma obra rodoviária fosse o esperado, estão a execução de serviços como compactação das camadas dos pavimentos nas energias pré-estabelecidas, o uso
