UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA
ISAAC EDUARDO PINTO
ULTRASSONOGRAFIA E ESCLEROMETRIA APLICADAS A
UMA MISTURA DE CONCRETO ASFÁLTICO
CAMPINAS 2018
ISAAC EDUARDO PINTO
ULTRASSONOGRAFIA E ESCLEROMETRIA APLICADAS A
UMA MISTURA DE CONCRETO ASFÁLTICO
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Doutor em Engenharia Agrícola, na Área de Concentração Construções Rurais e Ambiência.
Orientador: Prof. Dr. JULIO SORIANO
Coorientadora: Profa. Dra. RAQUEL GONÇALVES
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO ISAAC EDUARDO PINTO E ORIENTADA PELO PROF. DR. JULIO SORIANO
CAMPINAS 2018
Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): Não se aplica.
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Pinto, Isaac Eduardo, 1968- P658u
Ultrassonografia e Esclerometria aplicadas a uma mistura de concreto asfáltico / Isaac Eduardo Pinto. – Campinas, SP: [s.n.], 2018.
Orientador: Julio Soriano. Coorientador: Raquel Gonçalves
Tese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola.
1. Testes não destrutivos. 2. Ultrassom. 3. Pavimentos Flexíveis 4. Concreto asfáltico. 5. Resiliência. I. Soriano, Julio, 1967. II. Gonçalves, Raquel, 1961. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Agrícola. IV. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Ultrasonography and sclerometer applied to hot mix asphalt Palavras-chave em Inglês: Nondestructive tests Ultrasonic Flexible pavement Asphalt concrete Resilience
Área de concentração: Construções Rurais e Ambiência. Titulação: Doutor em Engenharia Agrícola
Banca examinadora: Julio Soriano [Orientador] Cinthya Bertoldo Pedroso Marcelo de Castro Takeda Alexandre Lorenzi
Gisleiva Cristina dos Santos Ferreira Data da defesa: 08-02-2018
Este exemplar corresponde à redação final da Dissertação de Doutorado defendida por Isaac Eduardo Pinto, aprovada pela Comissão Julgadora em 08 de fevereiro de 2018, na Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas.
________________________________________________________________ Prof. Dr. Julio Soriano – Presidente e Orientador
FEAGRI/UNICAMP
___________________________________________________________________ Profa. Dra. Cinthya Bertoldo Pedroso – Membro Titular
FEAGRI/UNICAMP
________________________________________________________________ Prof. Dr. Marcelo de Castro Takeda – Membro Titular
Depto de Engenharia Civil/UFSCar
________________________________________________________________ Prof. Dr. Alexandre Lorenzi – Membro Titular
Depto de Engenharia Civil/LEME/UFRGS
________________________________________________________________ Profa. Dra. Gisleiva Cristina dos Santos Ferreira – Membro Titular
FACULDADE DE TECNOLOGIA/UNICAMP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do discente.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador Prof. Dr. Julio Soriano, por ter acreditado e depositado sua confiança no trabalho, pela dedicação, acompanhamento, orientação e ensinamentos durante todos esses anos de pesquisa. Meus sinceros votos de agradecimento também pela receptividade na faculdade.
À Profa. Dra. Raquel Gonçalves, pela coorientação e ensinamentos oferecidos, fundamentais para o desenvolvimento deste trabalho.
A toda equipe da Egis e do Centro de Pesquisa Rodoviária (CPR-NovaDutra), pelo apoio nos ensaios de laboratório, meu sincero reconhecimento, ao Rodrigo Augusto Duarte Gordinho da Proceq SAO Equipamentos de Medição Ltda. pelo empréstimo do esclerômetro de baixa energia e por estar sempre disponível a colaborar com a pesquisa, e ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo pelo apoio a capacitação de seus docentes e funcionários.
A todos os professores da Feagri/UNICAMP, pelos ensinamentos transmitidos e aos funcionários, que em algum momento, fizeram parte desse trabalho. Em especial ao professor Inacio Dal Fabbro pela amizade e companheirismo demonstrado durante todos os anos do trabalho.
A todos os amigos de pós-gradução e do LabEnd, que direta ou indiretamente, ajudaram no desenvolvimento desta pesquisa, em especial à colega engenheira agrícola Nádia Schiavon da Veiga e ao técnico de laboratório engenheiro agrícola Paulo Gustavo Krejci Nunes.
Ao meu pai, “in memórian”, que sempre me apoiou e incentivou nos estudos e pelo seu esforço, preocupação e sacrifícios para tornar tangíveis meus sonhos, à minha Mãe e meus irmãos, que mesmo distantes, apoiaram e contribuíram com amor e carinho em mais esta etapa da minha vida.
À minha esposa, sempre presente, acreditando, incentivando e apoiando em todos os momentos e aos meus filhos pelo amor e carinho.
Finalmente, a todos aqueles que direta ou indiretamente contribuíram para o desenvolvimento e concretização desse trabalho.
RESUMO
O procedimento mais difundido e utilizado no Brasil para dosagem de uma mistura do tipo concreto asfáltico é o método Marshall. Atualmente, os procedimentos para determinação do teor ótimo de asfalto obtido pela dosagem Marshall vem sofrendo algumas alterações com relação à adoção dos parâmetros de estabilidade e fluência como pré-requisitos, sendo a adoção do volume de vazios um parâmetro volumétrico que tem sido bastante utilizado na escolha do teor de projeto. A falta de ligante asfáltico numa mistura acarreta fadiga precoce e, por outro lado, o excesso faz diminuir sua resistência. Na avaliação da qualidade e rigidez do concreto asfáltico como camada de revestimento, o módulo de resiliência é considerado o principal parâmetro obtido por ensaios de corpos de prova moldados em laboratório ou retirados da pista de rolamento. Atualmente, o comportamento das misturas asfálticas avaliadas por técnicas de ensaios não destrutivos (END) é pouco conhecido, principalmente, quando se trata dessas tecnologias aplicadas às análises em laboratório. Neste contexto, o objetivo desta tese foi analisar o comportamento do teor de asfalto, do volume de vazios e do módulo de resiliência nos resultados dos END de ultrassom e de esclerometria, aplicados a uma mistura de concreto asfáltico. Para tanto, foi elaborada uma mistura com 4 teores (4,0%, 4,8%, 5,6% e 6,6%) de cimento asfáltico de petróleo (CAP) e moldados 100 corpos de prova, os quais foram submetidos aos ensaios de ultrassom com transdutores de face exponencial na frequência de 45 kHz e de face plana com frequências de 80 kHz, 500 kHz e 1000 kHz, bem como ao ensaio de esclerometria com impactos aplicados na direção diametral por um equipamento de baixa energia (0,735 N.m). Os módulos de resiliência foram obtidos por ensaio de cargas repetidas. Os resultados mostraram para os transdutores com frequências de 500 kHz e 45 kHz, em ambas as direções (longitudinal e transversal), um comportamento semelhante nas correlações das velocidades de propagação do pulso ultrassônico (VPU) com o teor de asfalto e com o volume de vazios, apresentando funções com concavidades voltadas para baixo. Na frequência de 500 kHz foi registrada a maior VPU no ponto ótimo de asfalto. A esclerometria apresentou um comportamento similar, com inflexão da curva entre os teores de 4,8% e 5,6% CAP. Os módulos de elasticidade longitudinais (EL) registraram para as frequências de 1000 kHz e 500 kHz, na direção longitudinal, comportamento semelhante, apresentando valores crescentes até teores entre 4,0% e 4,8% de CAP, seguido do decréscimo e maior EL no ponto ótimo de asfalto. As boas correlações de CAP com o módulo de elasticidade e esclerometria, do módulo de resiliência com a VPU e com o módulo de elasticidade, e do volume de vazios com a velocidade da onda, mostram que os ensaios de
ultrassonografia e de esclerometria têm potencial para avaliação desses parâmetros da mistura asfáltica.
Palavras chave: Ensaio não destrutivo; pavimento flexível; concreto betuminoso; asfalto; módulo de resiliência.
ABSTRACT
The most common and most popular procedure used in Brazil to dosage of asphalt concrete mix is the Marshall method. Currently the procedures for determining the optimum asphalt binder content obtained by the Marshall mix design have undergone some changes in relation to the adoption of stability and flowing parameters as prerequisites. Thus, the adoption of void content is a volumetric parameter that has been widely used in the choice of a design content. The lack of an asphalt binder in a mix causes premature fatigue and, on the other hand, its excess reduces its strength. In the assessment of quality and stiffness of the Hot Mix Asphalt (HMA) as a surface course, the resilient modulus is considered the main parameter, obtained by testing specimens molded in the laboratory or collected from the roads. Nowadays the behavior of asphalt mixtures evaluated by nondestructive testing (NDT) is little known, especially dealing with these technologies to analyses in laboratories. Therefore, the aim of this research was to analyze the behavior of asphalt content, of void content and of the resilient modulus in the results NDT by ultrasonic and sclerometric tests applied to a HMA mix. For this purpose, a mix was prepared with for different contents (4.0%, 4.8%, 5.6% and 6.6%) of petroleum asphalt cement (PAC) and 100 specimens were submitted to ultrasonic tests with exponential probe transducers at 45 kHz frequency, and with flat transducers at 80 kHz, 500 kHz and 1000 kHz frequencies, as well as to a sclerometric test with impacts applied in the diametral direction by low energy equipment (0.735 Nm). Resilient moduli were obtained by repeated load testing. The results for the 500 kHz and 45 kHz frequency transducers showed in longitudinal and diametral directions, a similar behavior in the correlations of ultrasonic pulse velocity (UPV) with the asphalt content and in the void content, displaying a concave downward function. At 500 kHz frequency the highest UPV was registered at the optimum asphalt point (4.8%). Sclerometry presented a similar behavior, with a curve inflection between 4.8% and 5.6% PAC. The longitudinal elastic moduli (EL) registered a similar behavior for 1000 kHz and 500 kHz frequencies in the longitudinal direction, showing increasing values up to 4.0% and 4.8% PAC, followed by a decrease and a higher EL at the optimum point of asphalt. The good correlations of PAC with the modulus of elasticity and sclerometry, of the resilient modulus with UPV and the modulus of elasticity, and of the void content with the wave velocity, show that the ultrasonic and sclerometric tests have the potential to evaluate these parameters in HMA.
Keywords: Nondestructive testing; flexible pavement; bituminous concrete; asphalt; resilient modulus.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1. Corpos de prova de concreto asfáltico convencional moldados no padrão
Marshall ... 23
Figura 2. Demarcação dos corpos de prova, com auxílio de gabarito, nas duas direções de medição ... 25
Figura 3. Medição do tempo de percurso da onda com equipamento Epoch 4 – Panametrics ... 25
Figura 4. Demarcação dos pontos para os ensaios de VPU: (a) Panametrics; (b) USLab 26 Figura 5. Medição do tempo de percurso da onda com equipamento USLab – AGRICEF ... 26
Figura 6. Ensaio de esclerometria: (a) fixação do CP; (b) execução dos impactos ... 28
Figura 7. Prensa universal UTM-25 para realização dos ensaios de módulo de resiliência ... 29
Figuras da Seção 3.1 Artigo 1 Figura 1. Demarcação dos pontos para os ensaios de ultrassonografia e de esclerometria ... 35
Figura 2. Equipamento de VPU Epoch 4 – Panametrics ... 35
Figura 3. Direções de propagação das ondas de ultrassom ... 36
Figura 4. Execução do ensaio de esclerometria ... 37
Figura 5. Ensaio de compressão diametral de cargas repetidas para obtenção do módulo de resiliência ... 38
Figura 6. Módulo de elasticidade por ultrassom versus teor de CAP: a) direção longitudinal; b) direção diametral ... 45
Figura 7. Comportamento da esclerometria: a) com o teor de asfalto; b) com o módulo de resiliência ... 46
Figura 8. VPU versus módulo de resiliência: (a) direção longitudinal; (b) direção diametral ... 47
Figura 9. Módulo de elasticidade por VPU versus módulo de resiliência: a) direção longitudinal; b) direção diametral ... 48
Figuras da Seção 3.2 Artigo 2 Figura 1. Corpos de prova de concreto asfáltico ... 58
Figura 2. Faixa granulométrica da mistura asfáltica ... 59
Figura 3. Demarcação dos pontos para os ensaios de ultrassonografia e de esclerometria ... 60
Figura 4. Equipamento de ultrassom com transdutores: (a) faces exponenciais; (b) faces planas ... 60
Figura 5. Direções do ensaio com o ultrassom ... 61
Figura 6. Execução do ensaio de esclerometria ... 61
Figura 7. Correlação entre a VPU e o volume de vazios: (a) 45 kHz, direção longitudinal; (b) 45 kHz, direção diametral; (c) 80 kHz, direção longitudinal; (d) 80 kHz, direção diametral ... 66
Figura 8. Correlação entre o índice esclerométrico e o volume de vazios ... 67
Figura 9. Função de ajuste para o índice esclerométrico médio ... 68
Figuras da Seção Apêndices Figura A1.1 Granulometria dos agregados ... 90
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Requisitos para dosagem de concreto asfáltico de acordo com DNIT ES 031
(2006) ... 23
Tabela 2. Faixas granulométricas preconizadas pelo DNIT para concreto asfáltico ... 24
Tabelas da Seção 3.1 Artigo 1 Tabela 1. Velocidades de propagação de ondas de ultrassom com transdutores de ondas longitudinais na direção longitudinal com 1000 kHz (VL1000) e 500 kHz (VL500), e na direção diametral com 1000 kHz (VD1000) e 500 kHz (VD500) ... 40
Tabela 2. Resultados dos ensaios de esclerometria ... 41
Tabela 3. Módulos de Elasticidade obtidos pelo método de propagação de ondas ultrassônicas nas direções longitudinal com transdutores de 1000 kHz (EL 1000) e de 500 kHz (EL 500) e diametral com transdutores de 1000 kHz (ED 1000) e de 500 kHz (ED 500) e módulos de resiliência (MR) ... 42
Tabela 4. Agrupamento e assimetria dos módulos de elasticidade calculados por ultrassonografia nas direções longitudinal (EL) e diametral (ED) e do módulo de resiliência (ER) ... 43
Tabelas da Seção 3.2 Artigo 2 Tabela 1. Materiais utilizados na moldagem dos corpos de prova ... 58
Tabela 2. Parâmetros volumétricos das misturas asfálticas ... 59
Tabela 3. Volume de vazios da mistura asfáltica ... 62
Tabela 4. Valores médios da velocidade de propagação do pulso ultrassônico com transdutores de frequências 45 kHz e 80 kHz, nas direções longitudinal (VL45 e VL80) e diametral (VD45 e VD80) ... 63
Tabela 5. Índices esclerométricos ... 65
Tabela 6. Parâmetros e modelos da regressão entre velocidade da onda e volume de vazios ... 67
Tabela 7. Parâmetro e modelo da regressão entre o índice esclerométrico e o volume de vazios ... 67
Tabela do Capítulo 4 Discussão Geral Tabela 3. Relação entre o comprimento médio dos corpos de prova e a frequência (L/) ... 77
Tabelas da Seção Apêndices Tabela A1.1. Densidades da mistura de agregados ... 90
Tabela A1.2. Característica do Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP 50/70) ... 90
Tabela A1.3. Temperatura dos Materiais para Moldagem (ºC) ... 90
Tabela A1.4. Distribuição Granulométrica ... 91
Tabela A2.1. Densidades dos 12 corpos de prova que compuseram o artigo 1 ... 93
Tabela A2.2. Velocidades longitudinais de propagação de ondas de ultrassom com transdutores de frequência 1000 kHz e 500 kHz nas direções longitudinal e diametral de medição ... 93
Tabela A2.3. Módulos de Elasticidade longitudinais (EL) obtidos por ultrassom com transdutores de frequência 1000 KHz e 500 kHz nas direções longitudinal e diametral de medição e de Resiliência (MR) ... 94
Tabela A2.4. Parâmetros das misturas asfálticas (4,0% CAP) ... 95
Tabela A2.5. Parâmetros das misturas asfálticas (4,8% CAP) ... 96
Tabela A2.6. Parâmetros das misturas asfálticas (5,6% CAP) ... 97
Tabela A2.7. Parâmetros das misturas asfálticas (6,6% CAP) ... 98
Tabela A2.8. Velocidades de propagação do pulso ultrassônico com transdutores de frequência 45 kHz na direção longitudinal de medição ... 99
Tabela A2.9. Velocidades de propagação do pulso ultrassônico com transdutores de
frequência 45 kHz na direção diametral de medição ... 100 Tabela A2.10. Velocidades de propagação do pulso ultrassônico com transdutores de
frequência 80 kHz na direção longitudinal de medição ... 101 Tabela A2.11. Velocidades de propagação do pulso ultrassônico com transdutores de
frequência 80 kHz na direção diametral de medição ... 102 Tabela A2.12. Esclerometria ... 103
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM American Society for Testing and Materials CA concreto asfáltico
CAP cimento asfáltico de petróleo
CBUQ concreto betuminoso usinado a quente CH cal hidratada
CP corpo de prova
DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes END Ensaio Não Destrutivo
EUA Estados Unidos da América
LVDT linear variable differential transformer MR módulo de resiliência
PMSP Prefeitura Municipal de São Paulo RBV relação betume-vazios
RILEM Réunion Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux SP São Paulo
UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro UTM Universal Testing Machine
VPU velocidade de propagação do pulso ultrassônico VV volume de vazios
LISTA DE SÍMBOLOS mm milímetro m metro % porcentagem s segundo s microssegundo °C grau Celcius Hz Hertz kHz Quilo-hertz kgf Quilograma-força MPa Mega Pascal
comprimento da onda densidade
t tensão de tração
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO GERAL ... 17
2 MATERIAIS E MÉTODOS ... 21
2.1 Moldagem dos corpos de prova e teor ótimo de asfalto ... 21
2.2 Ensaios laboratoriais ... 23
2.2.1 Ensaio de velocidade de propagação do pulso ultrassônico (VPU) ... 25
2.2.2 Ensaio de esclerometria ... 27
2.2.3 Ensaio de módulo de resiliência ... 28
3 ARTIGOS ... 30
3.1 ARTIGO 1 – ENSAIOS ESCLEROMÉTRICOS E DE ULTRASSONOGRAFIA APLICADOS AO CONCRETO ASFÁLTICO COM DIFERENTES TEORES DE LIGANTE ... 30
RESUMO ... 31
ABSTRACT ... 32
INTRODUÇÃO ... 33
MATERIAIS E MÉTODOS ... 34
Teor Ótimo de Asfalto ... 34
Ensaios não destrutivos e convencionais ... 35
RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 38
Correlações dos resultados dos métodos de ensaios ... 44
Correlação entre módulo de elasticidade obtido pela velocidade de propagação do pulso ultrassônico e teor de CAP ... 44
Correlações entre o índice esclerométrico e o teor de CAP e, entre o índice esclerométrico e o módulo de resiliência ... 45
Correlação entre a velocidade de propagação do pulso ultrassônico e o módulo de resiliência ... 46
Correlação entre módulo de elasticidade longitudinal obtido pela velocidade de propagação do pulso ultrassônico e o módulo de resiliência ... 47
CONCLUSÕES ... 48
AGRADECIMENTO ... 49
REFERÊNCIAS ... 50 3.2 ARTIGO 2 – INFLUÊNCIA DO VOLUME DE VAZIOS EM UMA MISTURA
ASFÁLTICA NOS ENSAIOS DE PROPAGAÇÃO DE ONDAS ULTRASSÔNICAS E DE ESCLEROMETRIA ... 52 RESUMO ... 53 ABSTRACT ... 54 INTRODUÇÃO ... 55 MATERIAIS E MÉTODOS ... 57 Características da Mistura ... 58 Ensaios ... 60 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 62
Correlações dos resultados dos métodos de ensaios ... 65
Correlação entre a velocidade de propagação do pulso ultrassônico e o volume de vazios ... 65
Correlação entre o índice esclerométrico e o volume de vazios ... 67
CONCLUSÕES ... 68
AGRADECIMENTOS ... 69
BIBLIOGRAFIA ... 70
4 DISCUSSÃO GERAL ... 73
4.1 Comportamento da variação do teor de asfalto e do módulo de resiliência avaliados pela velocidade de propagação do pulso ultrassônico e esclerometria ... 73
4.2 Influência do volume de vazios avaliados pela velocidade de propagação do pulso ultrassônico e esclerometria ... 76
5 CONCLUSÃO GERAL ... 81
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 83
APÊNDICES ... 88
Apêndice 1 – Características dos materiais ... 89
1 INTRODUÇÃO GERAL
As estradas possuem um papel fundamental na infraestrutura rodoviária com uma importância significativa quanto ao aspecto sócio-econômico do país, uma vez que são o principal meio de acesso e mobilidade para o escoamento da produção agropecuária e florestal, bem como para as atividades básicas de saúde e educação.
A maioria das estradas brasileiras não são pavimentadas, devido à falta de recursos técnicos e financeiros e, portanto, geralmente são construídas de forma muito simples por camadas sobrepostas e compactadas com solo local. Muitas vezes, para oferecer condições de trafegabilidade, a última camada de rolamento recebe apenas uma cobertura de uma mistura de materiais granulares e argilosos. E, em decorrência do grande volume de tráfego nessas estradas, este tipo de revestimento conhecido como revestimento primário, sujeita-se ao desgaste superficial e a perda de aderência, ocasionando descolamento e degradação dos agregados expostos, intensificando os danos no leito da estrada e os riscos de acidentes. Como exemplo tem-se a segregação de agregados, fenômeno pelo qual as partículas soltas se deslocam, oferecendo risco ao tráfego de veículos e obstrução do sistema de drenagem.
A falta de manutenção ou mesmo de pavimentação dessas estradas por um longo período de tempo tornam essas vias intrafegáveis e, como consequência os produtos agropecuários transportados por estradas em tais condições ou em péssimo estado de conservação têm seus custos acrescidos, prejudicando a produção final.
O desenvolvimento de um país requer o aumento de vias pavimentadas para interligação de cidades e municípios, com mais conforto, qualidade e segurança. No caso, as estradas rurais beneficiam a produção agrícola, reduzindo o custo operacional de veículos e máquinas que utilizam este modal de transporte. Portanto, devem apresentar capacidade de suporte para as cargas impostas pelo tráfego e condições de rolamento garantindo segurança ao usuário.
A pavimentação de uma estrada rural é simples, comparada à de grandes rodovias, pois não implica em grandes tecnologias de materiais e equipamentos. Nos serviços de pavimentação, sua estrutura é formada por materiais locais, empregados solos, agregados e materiais asfálticos, com uso de equipamentos simples como escarificadores, motoniveladoras e rolos compactadores. Geralmente são construídas em regiões de pequena declividade com rapidez e baixo custo, sobre o leito natural, com serviços de terraplenagem e compactação das
estruturas das camadas e não são projetadas para um elevado volume de tráfego, facilitando ainda mais sua construção.
Nesse contexto, verifica-se a necessidade da pavimentação das estradas ou a aplicação de um revestimento asfáltico sobre o leito das mesmas, a fim de proporcionar melhores condições de trafegabilidade das vias.
Um dos revestimentos mais utilizados no Brasil como camada final de rolamento em pavimentação asfáltica é o concreto asfáltico (CA) ou concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ), cujos requisitos de qualidade e desempenho são atendidos com um projeto adequado de dosagem da mistura asfáltica.
Na dosagem de um concreto asfáltico podem-se empregar vários teores de asfalto que implicam no custo da pavimentação da via ou rodovia, uma vez que o produto asfáltico é o mais oneroso na composição do concreto asfáltico. O excesso do material ligante pode acarretar deformações plásticas excessivas na camada de revestimento, quando submetido à ação do tráfego. Por outro lado, a insuficiência do mesmo, poderá resultar em um revestimento permeável, pouco durável, sujeito ao aparecimento de fissuras e a um acentuado desgaste superficial. Tais situações poderão comprometer o pavimento no seu desempenho, de forma a reduzir sua vida útil.
A determinação de um teor ideal de projeto do ligante asfáltico, com o volume de vazios (VV) adequado para a mistura asfáltica e com rigidez suficiente para receber as cargas do tráfego, é de fundamental importância na construção do pavimento, para garantir a segurança ao usuário bem como durar o período de projeto especificado. A mistura adequada deve atender aos requisitos necessários, eliminar o risco de manifestações patológicas e garantir segurança e conforto aos usuários da via.
No que se refere à rigidez de uma mistura betuminosa ou de um revestimento de concreto asfáltico, é essencial o conhecimento das propriedades mecânicas, como por exemplo, o módulo de resiliência (MR), que representa a relação entre a tensão aplicada repetidamente num plano diametral vertical de uma amostra cilíndrica e a correspondente deformação específica recuperável. O conhecimento dessa propriedade permite predições das tensões e deformações provenientes do tráfego e projetar misturas asfálticas resistentes à fadiga e deformações excessivas e com maior durabilidade.
Face ao exposto, é de fundamental importância avaliar o teor de asfalto, o volume de vazios e a rigidez da mistura asfáltica, garantido assim condições e parâmetros especificados em projeto e a vida útil do pavimento. Tais parâmetros são obtidos em condições de laboratório por ensaios tradicionais que danificam o corpo de prova e necessitam
a confecção ou, a extração de amostras de campo e em grande quantidade. Portanto, análise para o entendimento do comportamento da mistura betuminosa necessita de ensaios que comprovem suas propriedades. Grande parte destes ensaios é complexa e exige aporte financeiro para aquisição de equipamentos. Busca-se, portanto, alternativas para aplicações de métodos não destrutivos na avaliação de pavimentos para prover informações das propriedades físicas e mecânicas dos materiais, bem como fornecer dados para inspeção e controle tecnológico em campo. No Brasil, alguns Ensaios Não Destrutivos (END) são normalizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), como o caso dos ensaios de esclerometria e da velocidade de propagação do pulso ultrassônico (VPU), métodos estes, que possibilitam avaliação da dureza superficial do material, auxiliam na obtenção da resistência e rigidez de peças ou estruturas, bem como na investigação de manifestações patológicas. O auxílio da tecnologia de END tem se ampliado nos diversos ramos da engenharia, devido a praticidade proporcionada pelos equipamentos, rapidez na aquisição dos dados, custos inferiores comparados aos ensaios tradicionais e confiabilidade nos resultados.
Assim, com a hipótese de que a velocidade de propagação do pulso ultrassônico e a esclerometria são afetadas pelos parâmetros de dosagem do concreto asfáltico, esta pesquisa teve como principal objetivo analisar o comportamento das respostas dos métodos de VPU e de esclerometria em função da porcentagem de asfalto, do volume de vazios e do módulo de resiliência de uma mistura asfáltica convencional. Para tanto, foram estabelecidas correlações desses parâmetros com as respostas obtidas por ambos os métodos de ensaios não destrutivos.
Para que o objetivo principal desta pesquisa fosse alcançado foram propostos os seguintes objetivos específicos:
- avaliar a influência na velocidade de propagação do pulso ultrassônico e no módulo de elasticidade longitudinal obtidos por meio do ultrassom (com transdutores de frequências de 1000 kHz e 500 kHz), bem como nos impactos esclerométricos em uma mistura de concreto asfáltico convencional dosada com quatro teores diferentes de asfalto;
- analisar o comportamento do material, por meio de correlações, do módulo de resiliência com a velocidade de propagação de ondas longitudinais e com os módulos de elasticidade longitudinais nas frequências de 1000 kHz e 500 kHz, bem como a esclerometria;
- avaliar a influência do volume de vazios, decorrentes da variação do teor de asfalto, por ensaios de VPU (com transdutores de frequências 45 kHz e 80 kHz) e esclerometria.
A partir dos objetivos específicos, foram redigidos dois artigos para compor o corpo desta tese e inseridos apêndices com as características dos materiais empregados nos experimentos e os resultados completos dos ensaios realizados. Os manuscritos foram formatados com base nos critérios de cada revista. O artigo intitulado “Ensaios
esclerométricos e de ultrassonografia aplicados ao concreto asfáltico com diferentes teores de ligante” foi submetido à revista Materiales de Construcción (Madrid) e, o artigo
intitulado “Influência do volume de vazios em uma mistura asfáltica nos ensaios de pro
pagação de ondas ultrassônicas e de esclerometria” foi submetido à revista Matéria (UFRJ).
Tendo em vista que cada artigo possui suas respectivas revisões bibliográficas para cada tema abordado, esta tese, é composta por uma introdução geral que aborda os assuntos de forma contextualizada e, na sequência, apresenta os respectivos artigos, a discussão e a conclusão geral, bem como os apêndices relacionados ao escopo geral da tese.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste item são apresentados os materiais, os equipamentos e a metodologia adotada para o desenvolvimento desta pesquisa, abordando desde a moldagem dos corpos de prova até a realização dos ensaios.
Para obtenção dos dados discutidos nesta tese, o estudo contemplou duas etapas: a primeira caracterizada pela moldagem de corpos de prova de concreto asfáltico convencional com diferentes porcentagens de asfalto na mistura e, a segunda etapa contemplou a execução dos ensaios laboratoriais: de ultrassom, de esclerometria e do módulo de resiliência.
A partir dos resultados dos ensaios, foram realizadas as análises que compuseram o escopo principal desta tese, onde foram analisados o comportamento dos resultados das técnicas de ensaios não destrutivos de VPU e de esclerometria, com a porcentagem de asfalto, o volume de vazios e o módulo de resiliência de uma mistura asfáltica convencional.
2.1 Moldagem dos corpos de prova e teor ótimo de asfalto
A dosagem do concreto asfáltico consiste em combinar agregados, materiais finos e o cimento asfáltico de petróleo (CAP) de modo a formar uma mistura que aplicada em campo, a uma determinada temperatura e condição de compactação, atinja resistência desejada às cargas a serem aplicadas no pavimento e não apresente deterioração prematura (PINTO e PREUSSLER, 2010).
Na elaboração de um concreto asfáltico, é necessário um projeto da mistura para se obter um teor ótimo de asfalto. Portanto, primeiramente para a confecção dos corpos de prova que fizeram parte desta pesquisa, foi necessário obter o teor ótimo de asfalto.
Para determinação do teor ótimo de asfalto, ou seja, a porcentagem de asfalto que propicie nos limites especificados pelo Departamento Nacional de Estradas de Rodagem - DNER (ME 43, 1995), melhor comportamento da mistura com relação à estabilidade (grandeza que mede a resistência do corpo de prova à aplicação de carga máxima de compressão diametral), fluência (deslocamento máximo do corpo de prova correspondente à aplicação da carga máxima), volume de vazios e relação betume-vazios (RBV), procedeu-se da seguinte forma:
- determinação da densidade do CAP (Apêndice 1 - Tabela A1.2) conforme ABNT NBR 6296 (2004) e DNER ME 117 (1994);
- determinação das densidades dos agregados conforme DNER ME 084 (1995) e DNER ME 081 (1998);
- escolha da faixa granulométrica (Apêndice 1 - Figura A1.1) conforme o Departamento Nacional de Estradas de Rodagem - DNER (ME 083, 1998);
- composição dos agregados dentro da faixa granulométrica de trabalho, ou seja, determinação do percentual, em massa, de cada agregado para formar a mistura;
- determinação da temperatura de trabalho dos materiais (Tabela A1.3);
- escolha dos teores de asfalto para os grupos de corpos de prova (CPs) que foram moldados conforme o projeto. Cada grupo de teores de CAP foi constituído por 3 CPs, variando 0,5% na porcentagem de asfalto. Portanto, para se obter o teor ótimo de asfalto, foram moldados 15 CPs subdivididos em 5 grupos: 3,5%, 4,0%, 4,5%, 5,0% e 5,5% de CAP;
- mistura e compactação dos CPs no padrão Marshall, de acordo com DNER ME 43 (1995);
- desmoldagem e mensuração (altura e diâmetro) dos CPs após resfriamento; - determinação das densidades aparente e teórica dos CPs (Apêndice 1 - Tabela A1.1) de acordo com DNER ME 117 (1994);
- cálculo dos parâmetros (volume e densidade aparente) dos CPs; - submersão dos CPs em banho-maria a 60°C por 30 a 40 minutos;
- retirada de cada CP do banho-maria e colocação no molde de compressão; e - determinação, por meio da prensa Marshall, dos parâmetros físicos e mecânicos (estabilidade, fluência, volume de vazios, relação betume-vazios, vazios do agregado mineral e massa específica aparente).
A partir dos parâmetros obtidos, foram plotadas seis curvas em função do teor de asfalto (Apêndice 1 - Figura A1.2) e definido como 4,8% 0,3% de CAP o teor ótimo da mistura.
A Tabela 1 apresenta os requisitos necessários de acordo com a especificação do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes - DNIT ES 031 (2006), para serviços de concreto asfáltico em revestimentos de pavimentos flexíveis.
Tabela 1 - Requisitos para dosagem de concreto asfáltico de acordo com DNIT ES 031 (2006) Características Camada de Rolamento Camada de Ligação (Binder)
Porcentagem de vazios (%) 3 a 5 4 a 6
Relação betume-vazios 75 – 82 65 - 72
Estabilidade, mínima, (Kgf) (75 golpes)
500 500
Resistência à Tração por Compressão Diametral estática a 25ºC, mínima (MPa)
0,65 0,65
2.2 Ensaios laboratoriais
Definido o teor ótimo na primeira etapa da pesquisa, foram confeccionados 100 corpos de prova de concreto asfáltico convencional (Figura 1), variando em quatro teores a porcentagem de asfalto (4,0%, 4,8%, 5,6% e 6,6%). Os corpos de prova foram moldados com energia de compactação equivalente ao tráfego pesado (75 golpes para cada face do corpo de prova) e padronizados de acordo com DNER ME 43 (1995), com dimensões de 63 ± 1,3 mm de altura e 100 ± 2 mm de diâmetro.
Figura 1 - Corpos de prova de concreto asfáltico convencional moldados no padrão Marshall.
Os materiais empregados na mistura do concreto asfáltico foram provenientes da usina Pau Pedra, situada no bairro Capelinha em Guarulhos – SP e constituídos de 27% de brita 1, 23% de pedrisco, 47% de pó de pedra e 3% de Cal hidratada do tipo I (CH-I). O ligante asfáltico utilizado foi do tipo 50/70.
Para a composição da mistura, foi adotada a faixa granulométrica III (Tabela 2) do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes - DNIT ES 031 (2006), mesma faixa
adotada pela Prefeitura Municipal de São Paulo (PMSP), de acordo com IE 03 (2009), a qual é a mais utilizada em rodovias de elevado volume de tráfego. O Apêndice 1 - Tabela A1.4 apresenta a composição da mistura dos agregados dentro da faixa granulométrica.
Tabela 2 - Faixas granulométricas preconizadas pelo DNIT para concreto asfáltico.
Peneiras Faixas
Série Abertura (%) em massa, Passando
ASTM (mm) A B C tolerância 2" 50,8 100 100 --- --- ---- 1 1/2" 38,1 95 100 100 100 --- ± 7% 1" 25,4 75 100 95 100 --- ± 7% 3/4" 19,1 60 90 80 100 100 100 ± 7% 1/2" 12,7 --- --- 80 100 ± 7% 3/8" 9,5 35 65 45 80 70 90 ± 7% No 4 4,8 25 50 28 60 44 72 ± 5% No 10 2,0 20 40 20 45 22 50 ± 5% No 40 0,42 10 30 10 32 8 26 ± 5% No 80 0,18 5 20 8 20 4 16 ± 3% No 200 0,075 1 8 3 8 2 10 ± 2% teor de asfalto (%) 4 a 7 4,5 a 7,5 4,5 a 9 ± 0,3% tipo de camada camada de camada de camada de
do revestimento ligação ligação e rolamento
(binder) rolamento
Para a etapa de ensaios (não destrutivos de VPU e de esclerometria, e os ensaios de compressão diametral de cargas repetidas para obtenção do módulo de resiliência) as dimensões dos corpos de prova foram mensuradas, obtendo-se 3 medidas para cada direção (diametral e longitudinal), com as quais foram calculados os valores médios. As massas dos corpos de prova foram obtidas com precisão centesimal e calculadas suas densidades (Apêndice 2 - Tabelas A2.1, A2.4, A2.5, A2.6 e A2.7).
Os corpos de prova foram previamente demarcados com gabarito (Figura 2), tanto na face longitudinal como na face diametral de medição, obedecendo ao que prescreve a metodologia da ASTM C805/C805M (2008), em que a distância mínima para realização do ensaio de esclerometria é de 25 mm entre os centros de dois pontos de impacto.
Figura 2 - Demarcação dos corpos de prova, com auxílio de gabarito, nas duas direções de medição.
2.2.1 Ensaio de velocidade de propagação do pulso ultrassônico (VPU)
O ensaio de VPU teve por finalidade medir o tempo (s) necessário para que a onda ultrassônica percorra uma direção do corpo de prova de concreto asfáltico e, a partir daí, calcular as velocidades (m.s-1). Em ambos os estudos, as medições do tempo de propagação de ondas ultrassônicas foram realizadas com temperatura de 25ºC ± 1ºC e tomaram como base a norma ABNT NBR 8802 (2013).
Para o estudo, que originou o artigo 1, foi utilizado o equipamento de ultrassom (Epoch4, Panametrics, EUA) com trandutores de faces planas e frequências de 1000 kHz e 500 kHz (Figura 3).
Figura 3 - Medição do tempo de percurso da onda com equipamento Epoch 4 – Panametrics.
Para que os transdutores não ficassem em contato direto com a amostra, como acoplante foi utilizada glicose, de forma a regularizar a superficie e evitar a entrada de ar durante os ensaios.
Foram obtidas três leituras (Figura 4) de tempo de propagação do pulso ultrassônico na direção longitudinal e uma na direção diametral (na meia altura do corpo de
prova) e, com as dimensões dos corpos de prova foram calculadas as velocidades de propagação das ondas de compressão (Apêndice 2 - Tabela A2.2) e de cisalhamento, para ambas as direções (longitudinal e diametral), bem como os coeficientes de rigidez (C). A partir daí, foi determinada a matriz de flexibilidade (S) e a obtenção do módulo de elasticidade longitudinal (EL) - (Apêndice 2 - Tabela A2.3).
Figura 4 - Demarcação dos pontos para os ensaios de VPU: (a) Panametrics; (b) USLab.
(a) (b)
Para o estudo que originou o artigo 2 foi utilizado o equipamento de ultrassom (USLab, AGRICEF, Brasil) com transdutores de faces exponenciais e planas com frequências de 45 kHz e de 80 kHz, respectivamente, ambos de ondas longitudinais (Figura 5).
Figura 5 - Medição do tempo de percurso da onda com equipamento USLab – AGRICEF.
Como acoplante para os trandutores de face plana foi utilizado gel medicinal, uniformizando assim a superfície de contato das amostras. As leituras do tempo de propagação do pulso ultrassônico foram realizadas nas duas direções, sendo cinco leituras na direção longitudinal e três na direção diametral dos corpos de prova (Figura 4).
A partir dos comprimentos de percurso da onda (dimensão longitudinal e diametral de cada corpo de prova) e da média do tempo de propagação da onda, foram calculadas as velocidades de propagação do pulso ultrassônico nas direções longitudinal (VL) e diametral (VD), apresentadas nos Apêndice 2 - Tabelas A2.8 a A2.11.
2.2.2 Ensaio de esclerometria
Após os ensaios de VPU, foram realizados os ensaios de esclerometria cujos resultados são apresentados no Apêndice 2 - Tabela A2.12, e que tiveram por finalidade medir o índice esclerométrico (Q), referente à uma determinada energia impacto. A norma britânica BS 1881-202 (1986), define a dureza superficial como uma propriedade da superfície do material medida em termos da proporção de energia retornada após uma massa padrão atingir a superfície.
De acordo com Huang et al. (2011), o ensaio com o esclerômetro fornece informações sobre a resistência do material próximo a superfície de ensaio, sendo o valor registrado no equipamento representa um índice indicativo das propriedades mecânicas do material.
Os ensaios tiveram como base a norma ABNT NBR 7584 (2012) que relata a importância de impedir movimentação do corpo de prova durante a aplicação dos impactos esclerométricos. Portanto, os corpos de prova foram confinados entre duas chapas metálicas e fixados em uma prensa manual (morsa) - Figura 6. Em ambiente protegido e ventilado (sala de laboratório) os impactos foram aplicados na direção diametral, totalizando-se 11 a 12 impactos em cada corpo de prova.
Uma vez que a presença do ligante no concreto asfáltico confere à mistura um comportamento visco-elástico linear (HUANG, 2004), foi empregado o esclerômetro (Digital Silver Schmidt PC L, PROCEQ, Switzerland) que atua com baixa energia de impacto (0,735 N.m), com êmbolo cogumelo adequado para objetos frágeis, como argamassas e concreto fresco de resistência muito baixa, ou ainda, estruturas com espessura inferior a 100 mm. O valor adimensional do índice esclerométrico (Q) foi obtido pela média aritmética dos ricochetes de impactos aplicados a cada corpo de prova.
Figura 6 - Ensaio de esclerometria: (a) fixação do CP; (b) execução dos impactos.
(a) (b)
2.2.3 Ensaio de módulo de resiliência
O módulo resiliente é uma propriedade mecânica que exerce influência significativa no comportamento de misturas asfálticas, pois determina as características de resposta de deformação em função do carregamento (tráfego).
De acordo com Pinto e Preussler (2010), o módulo de resiliência (MR) de misturas betuminosas é a relação entre a tensão de tração (t) desenvolvida repetidamente no plano diametral vertical de uma amostra cilíndrica e a correspondente deformação específica recuperável (R). O ensaio por compressão diametral em amostras cilíndricas aplica cargas repetidas no sentido vertical, gerando tensões de tração no sentido horizontal, cuja energia é equivalente a tráfego pesado.
Os ensaios foram executados por uma prensa universal (Universal Testing Machine – UTM-25) eletro-hidráulica (Figura 7), de acordo com American Society for Testing and Materials - ASTM D4123-82 (1995) e DNIT ME 135 (2010).
Figura 7 - Prensa universal UTM-25 para realização dos ensaios de módulo de resiliência.
As deformações diametrais (horizontais) são medidas através de medidores eletromecânicos LVDT (linear variable differential transformer) que transformam as deformações, durante o carregamento repetido, em potencial elétrico, registrando os valores no oscilógrafo.
As etapas e o procedimento adotado nos ensaios são resumidos da seguinte forma: - os corpos de prova foram mantidos em câmara termo-regulável por um período de 2 horas, de modo a se obter a temperatura de ensaio igual a 25º C;
- pré-calibração do equipamento a fim de correlacionar as deformações com os valores de registros;
- aplicação de carga repetida (igual a 30% da resistência à tração determinada no ensaio de compressão diametral estático);
- giro do CP da posição 0º para posição 90º e nova aplicação da carga repetida, com a finalidade de se obter dois registros, adotando como registro final, a média entre eles.
A frequência utilizada foi de 1 Hz e o tempo de duração de cada ciclo de carregamento de 1s, sendo 0,1s para aplicação da carga e 0,9s para o repouso e o valor do coeficiente de Poisson adotado foi igual à 0,3, conforme recomendação da norma DNIT ME 135 (2010).
3 ARTIGOS
3.1 Artigo 1 - ENSAIOS ESCLEROMÉTRICOS E DE ULTRASSONOGRAFIA APLICADOS AO CONCRETO ASFÁLTICO COM DIFERENTES TEORES DE LIGANTE
ENSAIOS ESCLEROMÉTRICOS E DE ULTRASSONOGRAFIA APLICADOS AO CONCRETO ASFÁLTICO COM DIFERENTES TEORES DE LIGANTE
SCLEROMETRIC AND ULTRASOUND TESTS APPLIED TO ASPHALT CONCRETE WITH DIFFERENT ASPHALT CONTENTS
I. E. Pinto1, J. Soriano, R. Gonçalves
RESUMO
A mistura asfáltica requer estudo de seleção, dosagem de materiais e escolha de um teor ótimo de ligante. O parâmetro módulo de resiliência utilizado para caracterizar a rigidez de uma mistura asfáltica é obtido por ensaios convencionais de corpos de prova moldados ou extraídos da rodovia. Este trabalho teve como objetivo analisar o efeito da variação do teor de asfalto nos resultados de ensaios não destrutivos de ultrassonografia (com frequências de 1000 kHz e 500 kHz) e de esclerometria aplicados a uma mistura betuminosa dosada com quatro teores de asfalto. Corpos de prova foram submetidos aos ensaios não destrutivos e ao ensaio convencional de módulo de resiliência. Os resultados desta pesquisa mostraram que as regressões foram melhor representadas por funções não lineares e, que os métodos esclerométrico e de ultrassonografia tem potencial para estimativa do teor ótimo e o do módulo de resiliência de uma mistura asfáltica.
PALAVRAS-CHAVE: Concreto; Betume; Propriedades mecânicas; Módulo de elasticidade.
__________________________________ 1 responsável pelo envio da correspondência
ABSTRACT
An asphalt mix requires a selection study, a material dosage, and the choice of an optimum asphalt content. The resilient modulus parameter used to characterize the stiffness of an asphalt mix is obtained by conventional tests of molded or extracted specimens of a highway. This work aims to analyze the effect of the variation of the asphalt content on the results of nondestructive ultrasonic tests (1000 kHz and 500 kHz frequencies) and of sclerometric tests applied to a bituminous mixture dosed with four asphalt contents. Specimens were submitted to nondestructive tests and to the conventional resilient modulus test. The research results showed that regressions were better represented by non-linear functions and that the sclerometric and ultrasonic methods have the potential to estimate the optimum content and the resilient modulus of an asphalt mix.
INTRODUÇÃO
Um dos revestimentos mais utilizados como camada final de rolamento em pavimentação é o concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ) ou, simplesmente, denominado concreto asfáltico (CA), cuja mistura é composta por agregado graúdo (pedra britada, pedregulho britado ou escória siderúrgica), agregado miúdo (areia), fíler mineral (pó de pedra, cimento, cal) e asfalto em proporções adequadas. O incremento de asfalto até o denominado teor ótimo, para o qual corresponde à máxima estabilidade de uma mistura, faz aumentar a resistência mecânica do material à compressão diametral (HADLEY et al., 1969). Entretanto, o excesso de asfalto reduz as propriedades mecânicas da mistura.
O comportamento mecânico de misturas asfálticas é caracterizado pelo módulo de resiliência (MR), o qual é obtido por ensaio convencional de corpos de prova. Os resultados desse ensaio são afetados pelo tipo de agregado, pelo teor de asfalto, pelo volume de vazios e pela relação fíler/betume (PINTO, 1991; PINTO e PREUSSLER, 2010). Trata-se de uma propriedade fundamental para a estimativa da vida de fadiga, bem como para o dimensionamento dos pavimentos asfálticos (MOTTA, 1998). No entanto, esse tipo de ensaio requer disponibilidade de laboratórios com equipamentos sofisticados e de grande porte, implicando em custos que dificultam a realização do mesmo.
Os métodos de Ensaios Não Destrutivos (END) ideais e desejáveis são aqueles que englobam ensaios de rápida execução, sejam confiáveis, não causem perturbação ao tráfego, nem danos à estrutura do pavimento como, por exemplo, aqueles fundamentados nos princípios de propagação de ondas de tensão ou de ondas eletromagnéticas (MASSER, 2003 e GOEL e DAS, 2008). Dentre os principais métodos, Goel e Das (2008) abordam o de onda elástica, o de eco de pulso ou eco impacto (IE) e o da velocidade do pulso ultrassônico (VPU), bem como a análise espectral do método de ondas de superfície (SASW). Pelo método de ondas eletromagnéticas Masser (2003) e Qiang et al. (2014) relatam que as ondas transmitidas sofrem reflexão causada por qualquer alteração nas propriedades do material e/ou da camada, a exemplo do radar de prospecção geotécnica (Ground Penetrating Radar – GPR).
O estado da arte reporta a importância de novas pesquisas no sentido que as técnicas END aplicadas ao concreto asfáltico sejam aprimoradas e, que também outras possam ser implementadas para inspeção desse material. No caso, a esclerometria já consolidada para inspeção de estruturas de concreto convencional pela American Society for Testing and Materials - ASTM (C805/C805M, 2008) e Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT (NBR 7584, 2012), cuja técnica retrata a capacidade de um material
restituir a energia aplicada por um equipamento portátil, pode apresentar viabilidade na avaliação de alguns parâmetros do concreto asfáltico. De acordo com Silva et al. (2013) e Mir e Nehme (2017), os resultados da esclerometria no concreto convencional são afetados por fatores, tais como: dimensões dos agregados graúdos, umidade, porosidade, e carbonatação do concreto.
Este trabalho objetivou avaliar os efeitos da variação do teor de asfalto na propagação de ondas ultrassônicas e nos impactos esclerométricos aplicados em mistura asfáltica convencional. Para tanto, foram avaliadas correlações dos resultados desses Ensaios Não Destrutivos (END) com os parâmetros: teor de cimento asfáltico de petróleo (CAP) e módulo de resiliência convencional.
MATERIAIS E MÉTODOS
Foram confeccionados 12 corpos de prova de concreto asfáltico convencional, dosados com quatro teores de asfalto (4,0%, 4,8%, 5,6% e 6,6%), sendo 3 corpos de prova para cada teor, com dimensões 63 ± 1,3 mm de altura e 100 ± 2 mm de diâmetro, de acordo com Departamento Nacional de Estradas de Rodagem - DNER ME 43 (1995). Os corpos de prova foram submetidos aos ensaios não destrutivos de esclerometria e de ultrassonografia, e aos ensaios de compressão diametral de cargas repetidas para obtenção do módulo de resiliência.
Teor ótimo de asfalto
Para definição do teor ótimo da mistura, foi executada a dosagem Marshall seguindo o método de ensaio DNER ME 43 (1995) com energia aplicada equivalente ao tráfego pesado (75 golpes para cada face do corpo de prova).
Para a composição da mistura, foi adotada a faixa granulométrica III do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes - DNIT ES 031 (2006) mesma faixa adotada pela Prefeitura Municipal de São Paulo (PMSP), de acordo com IE 03 (2009), da Prefeitura Municipal de São Paulo (PMSP), de acordo com IE 03 (2009), a qual é a mais utilizada em rodovias de elevado volume de tráfego. Os materiais empregados na mistura foram: pedra britada com diâmetro máximo de 12,7mm, pedrisco, pó-de-brita e cal hidratada. O traço que melhor se enquadrou na faixa especificada III foi composto por 27% de pedra britada, 23% de pedrisco, 47% de pó-de-brita e 3% de cal hidratada tipo I. O cimento asfáltico utilizado foi do tipo 50/70. Com os resultados dessa dosagem experimental, foi obtido o teor de trabalho (4,8% 0,3) de CAP que implicou num volume de vazios de 3,8%.
Ensaios não destrutivos e convencionais
As dimensões dos corpos de prova foram tomadas com 3 medidas para cada direção (diametral e longitudinal), com as quais foram calculados os valores médios. A massa de cada corpo de prova foi obtida com precisão centesimal.
Os corpos de prova foram previamente demarcados para os END (Figura 1), de acordo com ASTM C805/C805M (2008) que delimita a distância mínima de 25 mm entre os centros de dois pontos de impactos.
Figura 1 - Demarcação dos pontos para os ensaios de ultrassonografia e de esclerometria.
As medições do tempo de propagação de ondas ultrassônicas tomaram como base a norma NBR 8802 (2013), com equipamento mostrado na Figura 2 (Epoch4, Panametrics, EUA) e transdutores com ondas de compressão e de cisalhamento nas frequências de 500 kHz e de 1000 kHz.
Figura 2 - Equipamento de ultrassonografia Epoch 4 - Panametrics.
Os transdutores de ultrassom foram alinhados em faces opostas, nas direções longitudinal e diametral do corpo de prova (Figura 3). Foram obtidas três leituras de tempo de propagação do pulso ultrassônico na direção longitudinal e uma na direção diametral (na meia altura do corpo de prova). De posse do tempo de propagação e do comprimento de percurso
da onda (dimensão longitudinal e diametral do corpo de prova), foram calculadas as velocidades de propagação das ondas de compressão e de cisalhamento em ambas direções (longitudinal e diametral).
Figura 3 - Direções de propagação das ondas de ultrassom.
Com as densidades e as velocidades (longitudinais e de cisalhamento) obtidas com transdutores de frequências de 500 kHz e 1000 kHz, para cada corpo de prova, foram calculados os coeficientes de rigidez utilizando as Equações [1, 2 e 3], os quais compõe a matriz de rigidez de materiais isotrópicos. Esses parâmetros foram obtidos nas direções longitudinal e diametral para que fosse possível estudar se há uma condição que possa ser considerada mais adequada para os ensaios.
CLongitudinal = ρVLL2 ou ρVDD2 [1] Ctransversal = ρVLD2 ou ρVDL2 [2] Cfora dos eixos principais = CLongitudinal - 2Ctransversal [3]
Onde: é a densidade (kg.m-3) do corpo de prova; CLongitudinal é o coeficiente da matriz de rigidez determinado com transdutor longitudinal (propagação e a polarização da onda na mesma direção); VLL é a velocidade (m.s-1) obtida com transdutor longitudinal na direção longitudinal; VDD é a velocidade (m.s-1) obtida com transdutor longitudinal na direção diametral; Ctransversal é o coeficiente da matriz de rigidez determinado com transdutor de cisalhamento (propagação e a polarização da onda em direções perpendiculares); VLD é a velocidade (m.s-1) obtida com transdutor de cisalhamento e onda se propagando na direção longitudinal e polarizando na direção diametral; VDL é a velocidade (m.s-1) obtida com transdutor de cisalhamento e onda se propagando na direção diametral e polarizando na direção longitudinal e Cfora dos eixos principais é o coeficiente de rigidez não pertencente a diagonal da matriz de rigidez.
Pela inversão da matriz de rigidez (C), determinou-se a matriz de flexibilidade (S), com a qual foi possível a obtenção do módulo de elasticidade longitudinal (EL), do
Direção diametral Direção
módulo de cisalhamento (G) e do coeficiente de Poisson () do material. Neste artigo somente o EL foi utilizado nas discussões.
Para os ensaios de esclerometria os corpos de prova foram confinados entre duas chapas metálicas e fixados em uma prensa manual (morsa). Este procedimento foi adotado, tendo por base a necessidade de impedir a movimentação do corpo durante a aplicação dos impactos esclerométricos (NBR 7584, 2012). Os impactos foram aplicados na direção diametral, conforme Figura 4, totalizando-se 11 impactos em cada corpo de prova. Foi empregado o esclerômetro (Digital Silver Schmidt PC L, PROCEQ, Switzerland) de baixa energia de impacto (0,735 N.m), com êmbolo cogumelo adequado para objetos frágeis ou estruturas com espessura inferior a 100 mm. Os índices esclerométricos foram obtidos pela média aritmética dos impactos aplicados.
Na norma NBR 7584 (2012) são apresentados os campos de aplicações e os fatores que influenciam os resultados do ensaio, entretanto, neste trabalho foram avaliados os índices esclerométricos como resposta dos corpos de prova de concretos asfálticos dada a energia efetuada e a energia de reflexão da massa do martelo.
Figura 4 - Execução do ensaio de esclerometria
Após realizados os ensaios não destrutivos (ultrassom e esclerometria), os corpos de prova foram submetidos aos ensaios de módulo de resiliência, com uma prensa universal (Universal Testing Machine – UTM-25) eletro-hidráulica (Figura 5), de acordo com American Society for Testing and Materials - ASTM D4123-82 (1995) e o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes - DNIT ME 135 (2010).
Figura 5 - Ensaio de compressão diametral de cargas repetidas para obtenção do módulo de resiliência.
Os corpos de prova foram mantidos em câmara termo-regulável por um período de 2 horas, de modo a se obter a temperatura de ensaio igual a 25º C. Depois de atingida a temperatura de ensaio, os transdutores de deslocamento (LVDT) foram ajustados para a posição zero. Os ensaios foram realizados por meio de aplicação de carga repetida de compressão ao longo do plano diametral vertical para aquisição dos deslocamentos horizontais, que foram utilizados para os cálculos das deformações. A frequência utilizada foi de 1 Hz e o tempo de duração de cada ciclo de carregamento de 1s, sendo 0,1s para aplicação da carga e 0,9s para o repouso e o valor do coeficiente de Poisson foi adotado igual à 0,3 conforme recomendação da norma DNIT ME 135 (2010).
Os dados obtidos pelos ensaios não destrutivos (esclerometria e ultrassonografia) e do módulo de resiliência foram avaliados por análise de variância (ANOVA), pelo método de Tukey com 95% de confiança, a fim de verificar possíveis diferenças e interferências entre as médias das variáveis nos resultados apresentados por esses métodos.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os corpos de prova, para cada teor de CAP, apresentaram as densidades médias de 2322 kg.m-3 (para 4,0% de CAP), 2366 kg.m-3 (para 4,8% de CAP), 2369 kg.m-3 (para 5,6% de CAP) e 2384 kg.m-3 (para 6,6% de CAP).
Na direção longitudinal de medição, os valores médios das velocidades obtidos pelo pulso ultrassônico foram classificados estatisticamente da seguinte forma: para frequência de 1000 kHz não houve diferença estatística entre os valores, ou seja, os resultados correspondem a um único grupo, sem distinção com relação à porcentagem de CAP (Tabela 1). Para a frequência de 500 kHz, foram divididos 4 grupos estatisticamente distintos: C (CAP
4,0%), A (CAP 4,8%) e B (CAP 6,6%) e um grupo AB (CAP 5,6%) compartilhado com os teores de 4,8% e 6,6% (Tabela 1). Na frequência de 1000 kHz não foi possível distinguir as velocidades para os diferentes teores de asfalto, diferentemente da frequência de 500 kHz, onde a maior velocidade foi obtida para o ponto ótimo de asfalto (4,8%) indicando, nas condições deste experimento, a possibilidade de estimativa do teor ótimo de asfalto.
Na direção diametral as velocidades médias obtidas com o transdutor de frequência de 1000 kHz mostraram dois grupos com diferenças significativas: A (CAP 4,8%) e C (CAP 5,6%) - Tabela 1. No entanto, houve compartilhamento das velocidades para o teor de 4,0% com 5,6% e com 6,6% e, do teor de 4,8% com 6,6% (Tabela 1). Para a frequência de 500 kHz foram formados 2 grupos estatisticamente diferentes: B e A, onde o teor de 4,0% CAP referente ao grupo B se diferencia dos outros três teores agrupados em A (4,8%, 5,6% e 6,6%) - Tabela 1. Para as duas frequências foram registrados valores numericamente crescentes para os teores de 4,0% e 4,8%, com a maior velocidade no ponto ótimo de asfalto (4,8%), seguidos de valores decrescentes (Tabela 1). Na frequência de 1000 kHz os valores da velocidade se alternaram, sendo crescente do teor de 4,0% para 4,8%, decrescente deste último para o teor de 5,6% e, novamente crescente para o teor de 6,6% (Tabela 1). Ainda que o maior valor de velocidade tenha sido registrado para o teor de 4,8%, essa oscilação não possibilitou diferenciar estatisticamente o teor de 4,0% do 5,6% e o teor de 4,8% do 6,6%. Já, para a frequência de 500 kHz os teores de 4,8%, 5,6% e 6,6%, são considerados iguais estatisticamente, grupo do qual faz parte o teor ótimo de asfalto.
Devido a oscilação registrada da velocidade para a frequência de 1000 kHz, na direção diametral, pode-se concluir que a medição na direção longitudinal e na frequência de 500 kHz foi mais precisa. Tal fato pode ter ocorrido devido a dificuldade de acoplamento dos transdutores, feito com a glicose, na direção diametral do corpo de prova. Outro fato que pode ter contribuído, é a elevada atenuação com a frequência de 1000 kHz, no material, que nesta direção, a rugosidade do corpo de prova é expressiva, não permitindo um perfeito contato entre o transdutor e o corpo de prova, possibilitando a existência de ar entre a base do transdutor e o corpo de prova, dificultando a propagação do pulso ultrassônico.
Tabela 1 - Velocidades de propagação de ondas de ultrassom com transdutores de ondas longitudinais na direção longitudinal com 1000 kHz (VL1000) e 500 kHz (VL500), e na direção diametral com 1000 kHz (VD1000) e 500 kHz (VD500)
Direção Frequência %CAP V (m s-1) Grupo (*) Assimetria
Longitudinal 1000 kHz 4,0 3915 A -1,20 4,8 3747 A -1,68 5,6 3702 A -1,19 6,6 3689 A -0,82 500 kHz 4,0 3311 C 0,47 4,8 3747 A -1,46 5,6 3674 A B -0,29 6,6 3529 B -1,23 Diametral 1000 kHz 4,0 3539 B C -0,23 4,8 3989 A -1,72 5,6 3424 C -1,73 6,6 3757 A B 1,36 500 kHz 4,0 3443 B 1,56 4,8 3919 A -1,73 5,6 3777 A 1,70 6,6 3749 A 1,70
*Agrupamentos realizados pelo método de Tukey com 95% de confiança. Letras diferentes indicam grupos estatisticamente diferentes.
Com base nos 11 impactos esclerométricos aplicados a cada corpo de prova foram calculados os valores médios que representam os índices esclerométricos (Q), apresentados na Tabela 2. Numericamente, o maior valor do índice esclerométrico foi obtido para o grupo de corpos de prova com 4,8% de CAP, que representa o teor ótimo para mistura (Tabela 2). Já, o menor valor de Q obtido coincidiu com o menor teor de CAP, ou seja, 4,0% (Tabela 2). A análise estatística para os valores de esclerometria mostrou que os valores médios dos índices esclerométricos não se diferenciaram para os quatro teores de CAP utilizados nas dosagens dos corpos de prova ensaiados (Tabela 2).
Tabela 2 - Resultados dos ensaios de esclerometria
%CAP Q Qmédio DP CV(%) Grupo (*) Assimetria
4,0 32,9 28,7 31,4 2,31 7,37 A -1,7 32,6 4,8 33,9 34,8 35,1 1,44 4,10 A 1,0 36,7 5,6 36,6 38,0 34,6 4,71 13,61 A -1,5 29,3 6,6 32,6 33,2 32,8 0,37 1,12 A 1,7 32,6
*Agrupamentos realizados pelo método de Tukey a 95% de confiança. Letras diferentes indicam grupos estatisticamente diferentes.
DP: desvio padrão; CV: coeficiente de variação.
Os valores médios do módulo de resiliência (MR), obtidos experimentalmente para cada corpo de prova, resultaram decrescentes com o aumento do teor de asfalto (Tabela 3) e, considerando-se as médias representativas para cada um dos teores de CAP, o máximo coeficiente de variação resultou igual a 7,4%. Os módulos de elasticidade obtidos pela VPU na direção longitudinal (EL) e diametral (ED) para as duas frequências (1000 kHz e 500 kHz), apresentaram coeficientes de variação inferiores a 9% (Tabela 3).
Tabela 3 - Módulos de Elasticidade obtidos pelo método de propagação de ondas ultrassônicas nas direções longitudinal com transdutores de 1000 kHz (EL 1000) e de 500 kHz (EL 500) e diametral com transdutores de 1000 kHz (ED 1000) e de 500 kHz (ED 500) e módulos de resiliência (MR) CP No. % CAP EL 1000 (MPa) EL 500 (MPa) ED 1000 (MPa) ED 500 (MPa) MR (MPa) 1 16518 17990 21942 20367 6246 2 4,0 18401 19088 23712 22079 6257 3 17736 17998 22776 20999 6398 Média 17552 18358 22810 21148 6300 DP 955,1 631,9 885,7 865,5 84,6 CV (%) 5,4 3,4 3,9 4,1 1,3 1 26394 24799 23681 23610 4889 2 4,8 25450 24154 21564 21988 4962 3 27247 24615 25781 22086 5293 Média 26364 24523 23675 22561 5048 DP 898,8 332,1 2108,7 909,7 215,1 CV (%) 3,4 1,4 8,9 4,0 4,3 1 26214 24962 24973 26707 3808 2 5,6 24704 23021 25713 26579 3530 3 24524 23143 25481 25431 4093 Média 25147 23709 25389 26239 3810 DP 928,1 1087 378,5 703 281,8 CV (%) 3,7 4,6 1,5 2,7 7,4 1 24395 21099 26193 25396 2377 2 6,6 24784 24851 25083 25009 2368 3 23126 23351 29178 24300 2680 Média 24102 23101 26818 24902 2475 DP 866,8 1888,9 2117,6 555,9 177,6 CV (%) 3,6 8,2 7,9 2,2 7,2
CP: corpo de prova; DP: desvio padrão; CV: coeficiente de variação.
Os valores dos módulos de elasticidade calculados pela VPU na direção longitudinal (EL), tanto com o transdutor de 500 kHz quanto de 1000 kHz resultaram em valores numericamente crescentes para os teores de 4,0% e 4,8% (teor ótimo de CAP), seguidos de valores decrescentes com o aumento do teor de CAP (Tabela 3). Dessa forma, o método de ultrassom mostrou que o módulo de elasticidade calculado para ambas as frequências, pode ser um bom indicativo para o ponto ótimo de asfalto. Já, na direção diametral, para ambos os transdutores, os módulos de elasticidade (ED) resultaram em valores
