44ª RAPv – REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO
E
18º ENACOR – ENCONTRO NACIONAL DE CONSERVAÇÃO RODOVIÁRIA
ISSN 1807-5568 RAPv
Foz do Iguaçu, PR – de 18 a 21 de Agosto de 2015
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DAS PROPRIEDADES DO LIGANTE
ASFÁLTICO E DO ESQUELETO PÉTREO NA DEFORMAÇÃO
PERMANENTE DE MISTURAS ASFÁLTICAS
Filipe A. C. Nascimento 1; Antonio Carlos R. Guimarães 1 & Luiz Antonio V. Carneiro 1
RESUMO
Um projeto experimental do tipo fatorial foi estabelecido para o estudo da influência das características dos
componentes da mistura asfáltica (ligante e agregados) na sua deformação permanente acumulada em simulador de
tráfego francês. As análises foram conduzidas com dois tipos de ligante asfáltico e três variações granulométricas de
agregados graníticos (classificação graúda, miúda e intermediária) dentro de uma mesma faixa de tamanho máximo
nominal adotada por órgãos aeroportuários, totalizando seis tipos de misturas asfálticas. Os materiais utilizados nessa
pesquisa foram caracterizados pelas especificações brasileiras e por outros ensaios relacionados com a deformação
permanente, como o MSCR (Multiple Stress Creep Recovery) e o método AIMS (Aggregate Imaging System). As seis
misturas Marshall foram caracterizadas por meio dos ensaios de módulo resiliente e de vida de fadiga à tensão
controlada. Uma dosagem SUPERPAVE também foi conduzida com duas dessas misturas para a posterior obtenção
dos parâmetros de módulo dinâmico e Flow Number. Depois da obtenção dos resultados com o simulador de tráfego
francês e da análise dos efeitos médios e das interações entre as variáveis, verificou-se que a granulometria dos
agregados exerce maior influência na deformação permanente do que o tipo de ligante, tanto nas observações após
10000 ciclos quanto na taxa de acúmulo de deformações plásticas. A análise do esqueleto pétreo pelo método Bailey
influenciou o cálculo de um novo fator de empacotamento dos agregados (FE ss) proposto por essa pesquisa, que se
relacionou satisfatoriamente com a taxa de acúmulo de deformação permanente.
PALAVRAS-CHAVE: deformação permanente; granulometria; ligante; simulador de tráfego; Flow Number.
ABSTRACT
A factorial design of experiment was established to study the influence of the characteristics of the asphalt mixture
components (binder and aggregates) on its accumulated permanent deformation in French traffic simulator. Analyses
were conducted with two types of asphalt binder and three gradations of granite aggregate (coarse, fine, and
intermediate classifications) within a range of nominal maximum size adopted by airport authorities, resulting in six
types of asphalt mixtures. The materials used in this study were characterized by Brazilian specifications, and other tests
related to permanent deformation, such as MSCR (Multiple Stress Creep Recovery) test and AIMS method (Aggregate
Imaging System). Six Marshall mixtures were mechanically characterized by resilient modulus tests and stresscontrolled fatigue tests. A SUPERPAVE dosage was also performed with two of these mixtures to obtain further
dynamic modulus and Flow Number parameters. After obtaining results with the French traffic simulator, and the
analysis of mean effects and interactions among variables, it was found that the gradation of the aggregates has more
influence on permanent deformation than the type of binder, both in the remarks after 10000 cycles as the rate of plastic
deformation accumulation. The analysis of aggregate skeleton by Bailey method influenced the calculation of a new
aggregate packing factor (FEss) proposed by this research, which is satisfactorily related to the rate of permanent
deformation accumulation.
KEY WORDS: permanent deformation; gradation; binder; traffic simulator; Flow Number.
Instituto Militar de Engenharia: Praça General Tibúrcio, 80 – Urca – Rio de Janeiro/RJ. [email protected];
[email protected]; [email protected]
1
INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, tem sido bastante comum a ocorrência de problemas associados à deformação
permanente nos revestimentos asfálticos aplicados em rodovias brasileiras. O que agrava a situação
é que este tipo de defeito costuma se manifestar de maneira precoce, prejudicando a serventia dos
pavimentos em poucas semanas (Nascimento, 2008). Nesse sentido, o afundamento da trilha de
roda (ATR) não só reduz a vida de serviço do pavimento, como também afeta o nível de conforto
do usuário, principalmente a manobra dos veículos, comprometendo a segurança da via (Fontes et
al., 2009). Basicamente, uma compactação adequada e uma criteriosa seleção dos materiais podem
evitar esse fenômeno.
Ensaios mais modernos para avaliação da deformação permanente, tais como Flow Number e outros
que utilizam simuladores de tráfego de laboratório ou de campo (HVS), ainda não são de uso
comum na engenharia rodoviária nacional. Desenvolvidos para serem incorporados ao método
volumétrico de dosagem SUPERPAVE, o Flow Number, o Flow Time e o módulo dinâmico foram
propostos pelo Projeto 9-19 do National Cooperative Highway Research Program (Witczak, 2005)
para prever o desempenho das misturas asfálticas quanto à deformação permanente.
Alguns fatores importantes que dependem diretamente do ligante asfáltico, como o teor na mistura,
a viscosidade e a modificação, têm ligação direta com o desempenho da mistura asfáltica
relacionado à deformação permanente. De maneira geral, ligantes menos viscosos tornam a mistura
menos rígida e mais propensa ao acúmulo de deformações plásticas (Nascimento, 2008). Moura
(2010) também afirma que o teor de ligante asfáltico presente na mistura está diretamente ligado à
deformação permanente. Apesar de não haver uma proporcionalidade precisa entre essas variáveis,
existe o risco da ocorrência do fenômeno em estudo com o aumento do teor de ligante adicionado à
mistura. Nesse caso, a espessura do filme asfáltico no entorno dos agregados se eleva ao ponto de
interferir na resistência ao cisalhamento resultante do atrito entre os grãos pétreos.
A classificação de um ligante pelo PG (Performance Grade) pode prever a sua contribuição para o
desempenho esperado quanto à deformação permanente de uma mistura. Nesse sentido, Alata et al.
(2012) compararam as propriedades volumétricas, estabilidades Marshall, módulos resilientes,
fadigas e resistência à deformação permanente de diferentes misturas compostas por ligantes de
mesmo PG, utilizando a dosagem SUPERPAVE. Nestes ensaios, um ligante foi modificado com
SBS e os demais foram mantidos puros. Os agregados utilizados foram os mesmos para todas as
misturas, bem como foi mantida a composição granulométrica. Nos ensaios de creep dinâmico à
50ºC, realizados com dois níveis de tensão e três períodos de carregamento diferentes, os resultados
foram significativamente diferentes, apesar das misturas serem preparadas com ligantes de mesmo
PG. As misturas que apresentaram maior resistência à deformação permanente foram aquelas
preparadas com CAP puro. Em contrapartida, elas foram mais sensíveis à variação do período de
carregamento que as misturas que continham CAP modificado.
Nos resultados de Huang et al. (2009), quando as misturas foram submetidas às temperaturas abaixo
da temperatura alta do PG, o comportamento do ligante teve maior contribuição na resistência ao
ATR do que a angularidade dos agregados. Porém, esse protagonismo foi invertido quando a
temperatura do ensaio ficou próxima à temperatura alta do PG. De maneira geral, a utilização de um
ligante mais rígido compensou a adoção de agregados de baixa angularidade na resistência ao ATR
das misturas estudadas.
O PG de um ligante está intimamente ligado às suas características reológicas. Elas permitem
estimar a propensão do ligante asfáltico em contribuir para a formação de deformação permanente
em trilha de roda ocasionada por fluência de forma mais mecânica e menos empírica que os
parâmetros de penetração e ponto de amolecimento (Moura, 2010). Entretanto, na tentativa de
melhorar as análises em ligantes modificados, após vários estudos (Bahia et al., 2001; D’Angelo et
al., 2007), foi desenvolvido o ensaio de Fluência e Relaxação sob Múltipla Tensão – MSCR
(Multiple Stress Creep Recovery), atualmente normatizados pela ASTM D 7405 ou AASHTO TP
70. Trata-se de um ensaio capaz de avaliar os diferentes ligantes e a ação do modificador
empregado, permitindo classificá-los em função do seu comportamento e que apresenta boa
correlação com as propriedades mecânicas das misturas asfálticas. Martins et al. (2011) apresentam
limites de referência em função do percentual de recuperação para avaliar o comportamento de
asfaltos modificados por polímeros, baseados na revisão dos critérios do SUPERPAVE Plus, que
substituiria o ensaio de recuperação elástica realizado com ductilômetro.
Quanto aos agregados, Stakston (2002) afirma que a granulometria e a angularidade são as
propriedades que mais influenciam o comportamento das misturas. Nesse mesmo raciocínio, a
granulometria é considerada por alguns pesquisadores (Fred, 1967; Roberts et al., 1996) como a
mais importante propriedade, pois interage diretamente com outras características: rigidez,
estabilidade, durabilidade, permeabilidade, trabalhabilidade, resistência à fadiga, atrito e resistência
à umidade. A distribuição granulométrica em misturas asfálticas é responsável pelo embricamento
ou entrosamento dos agregados, de maneira que os agregados menores ocupem os vazios deixados
pelos agregados maiores (Momm, 1998).
Esse entrosamento dos agregados também é conhecido por intertravamento do esqueleto pétreo.
Kim et al. (2006) afirmam que a principal característica do intertravamento é que este se torna mais
significativo e efetivo na medida em que as deformações aumentam e se acomodam, principalmente
sob situações compressivas. A partir desse ponto, com carregamentos ainda maiores, as partículas
tenderão a deslizar.
Chen e Liao (2002) propuseram uma metodologia para a determinação da resistência interna de uma
mistura asfáltica. Segundo os autores, essa faixa de valores resistivos fica determinada a partir do
percentual de material passante na peneira de 4,75 mm, quando for possível atingir
simultaneamente dois critérios que a delimitam (ver Figura 1):
a) Os vazios do agregado graúdo na condição compactada seca (VCAdry) deve ser maior que os
vazios do agregado graúdo na mistura (VCA); e
b) Um patamar de valor de VAM deve ser alcançado. À medida que se aumenta o percentual de
agregado passante na peneira de 4,75 mm, o percentual de VAM tende a cair.
Figura 1. Exemplo de faixa de resistência interna para um tamanho máximo de agregado de 9,5mm (CHEN e LIAO,
2002)
Portanto, o propósito deste trabalho é a realização de um estudo comparativo, utilizando as
moldagens Marshall e SUPERPAVE, sobre alguns tipos de concreto asfáltico, com ênfase na
aplicação aeroportuária, a fim de analisar a influência da característica do ligante e do esqueleto
pétreo na deformação permanente das misturas asfálticas.
MATERIAIS E MÉTODOS
Metodologia empregada nesta pesquisa
Para atingir os objetivos propostos por este estudo, a metodologia empregada consistiu,
primeiramente, da moldagem de corpos de prova (CPs) pelo método Marshall. O trabalho foi
balizado pela aplicação em revestimentos aeroportuários, utilizando, sempre que possível, as
normatizações da FAA e da DIRENG.
A ideia de estudar a influência da granulometria dos agregados e do tipo de ligante na resistência ao
afundamento de trilha de roda (ATR) exigiu, de acordo com o tempo disponível, a montagem de
dois planos experimentais do tipo fatorial (22), contando com três granulometrias diferentes e dois
tipos de ligante, totalizando seis misturas. Após a dosagem Marshall, todas as misturas foram
mecanicamente caracterizadas com os ensaios de módulo de resiliência e vida de fadiga à tensão
controlada (TC).
Após essa fase, duas misturas foram selecionadas para confirmar os parâmetros de deformação
permanente através da dosagem SUPERPAVE e de ensaios mecânicos de carga repetida (Flow
Number e módulo dinâmico). Os índices da compactação giratória também foram calculados para
estimar o comportamento do esqueleto pétreo das misturas.
Ensaios mecânicos
Os ensaios de módulo de resiliência (MR) foram realizados nas instalações do Laboratório de
Geotecnia da COPPE/UFRJ, utilizando equipamento automatizado que mede a deformação elástica
do CP durante o carregamento cíclico imposto por um sistema pneumático de carregamento. A
temperatura adotada para o ensaio foi de 25ºC, com condicionamento prévio dos CPs de quatro
horas. O cálculo do MR seguiu as disposições da norma DNIT 135/2010-ME.
Todas as seis misturas Marshall foram submetidas ao ensaio de vida de fadiga à tensão controlada
(TC). O procedimento foi realizado no Laboratório de Ligantes e Misturas Betuminosas do IME
com um equipamento que aplica carregamentos cíclicos de compressão diametral com frequência
de 1 Hz em corpos de prova a 25°C. Com o objetivo de caracterizar mecanicamente as misturas
asfálticas, sem o desenvolvimento de uma análise mais abrangente, apenas seis corpos de prova por
mistura foi utilizado para a determinação da vida de fadiga em três níveis de tensão.
O ensaio de deformação permanente no simulador de tráfego francês foi realizado no
CENPES/PETROBRAS. Primeiramente, houve a preparação de uma placa (50 cm x 18 cm x 5 cm)
por mistura Marshall, conforme a norma francesa NF P 98-250-2. As misturas foram
confeccionadas com auxílio de um misturador mecânico e reservadas em estufa na temperatura de
compactação por um período de duas horas. O ensaio propriamente dito seguiu as recomendações
da norma NF P 98-253-1. A temperatura adotada para os ensaios foi de 60ºC e as leituras de
deformação permanente foram realizadas após 1000, 3000, 10000 e 30000 ciclos. Algumas
amostras não conseguiram alcançar os ciclos mais elevados e tiveram suas leituras realizadas até o
ciclo de limite operacional do equipamento.
Apenas duas misturas dosadas pelo método SUPERPAVE foram submetidas aos procedimentos
determinados pela norma AASHTO T 342, que padroniza o ensaio de determinação do módulo
dinâmico. Todos os procedimentos para esse teste foram realizados nas instalações do
CENPES/PETROBRAS, utilizando uma prensa hidráulica servo-controlada. Os deslocamentos
axiais foram adquiridos através dois sensores de gage length de 100 mm, que foram fixados no
centro da altura do CP, a 25,4 mm (1”) de distância do topo e do fundo. As amostras no teor ótimo
de ligante foram preparadas em misturador mecânico e acondicionadas em estufa na temperatura de
compactação por duas horas. Em seguida, os CPs de dimensões de 150 mm de diâmetro e 170 mm
de altura foram moldados no compactador giratório, programado para a obtenção de um volume de
vazios de 7%. Para a obtenção dos CPs finais de dimensões de 100 mm de diâmetro e 150 mm de
altura, uma sonda rotativa e uma serra circular diamantada foram empregadas para a extração dos
núcleos e serragem das extremidades. Cada corpo de prova respondeu às solicitações dinâmicas nas
temperaturas de 25ºC e 60ºC, após um período de condicionamento de duas horas. Apesar de outras
temperaturas serem especificadas pela norma, este estudo concentrou-se em um valor próximo ao
ambiente e outro mais alto, equivalente àquele aplicado nos ensaios de deformação permanente. Em
cada uma dessas temperaturas, a frequência de aplicação da carga foi de 25 Hz, 10 Hz, 5 Hz, 1 Hz,
0,5 Hz e 0,1 Hz, obedecendo ao intervalo mínimo de tempo de 120 segundos entre elas.
Os ensaios uniaxiais de carga repetida realizados para a obtenção do Flow Number (FN) ocorreram
logo após as determinações de módulo dinâmico à temperatura de 60ºC. Houve apenas um período
de estabilização de 10 minutos para o início dos ensaios. Tal procedimento, quando realizado em
temperaturas intermediárias e elevadas, não afeta o resultado de FN realizado no mesmo CP
(Nascimento, 2008). A aplicação do carregamento cíclico de 204 kPa, tipo haversine, ocorreu em
frequência de 1 Hz, sendo 0,1 segundo de solicitação e 0,9 segundos de repouso em carga de
contato (80 N). O limite operacional do ensaio foi fixado em 7200 ciclos.
Ligantes asfálticos
Dois tipos de ligantes foram empregados nessa pesquisa: CAP 50/70 e outro modificado tipo CAP
60/85-E, ambos oriundos da Refinaria Duque de Caxias (REDUC). As amostras foram submetidas
aos ensaios de caracterização previstos pela ANP (2005) e ANP (2010), conforme a Tabela 1, que
confirmaram suas respectivas designações. Todos os ensaios foram realizados no Laboratório de
Ligantes e Misturas Betuminosas do IME. Além da normatização nacional, os resultados dos
ensaios com o reômetro de cisalhamento dinâmico foram utilizados para classificar os ligantes
segundo seus graus de desempenho (PG) na temperatura alta, de acordo com a norma AASHTO M
320. Devido às especificidades da deformação permanente, não houve a necessidade da
determinação dos graus na temperatura baixa. O ensaio MSCR também possibilitou a classificação
PG MSCR. A apresentação desses resultados e classificações encontra-se na Tabela 2, ressaltando a
substituição do grau de desempenho na temperatura baixa pelos caracteres “XX”. Tais ensaios
foram realizados no CENPES/PETROBRAS.
Agregados minerais
Nesta pesquisa, foram utilizados agregados graníticos oriundos de uma jazida na região do
município de Magé/RJ. Os agregados escolhidos para a mistura são comercialmente denominados
Brita 1, Brita 0 e Pó de pedra. Eles foram caracterizados de acordo com a norma da DIRENG
(2002) e seus resultados de ensaios estão na Tabela 3. De maneira preliminar, conclui-se que os
materiais apresentam boa qualidade para emprego em misturas asfálticas. Os resultados dos ensaios
de granulometria por peneiramento realizados em cada agregado serão apresentados por ocasião da
dosagem das misturas asfálticas. Todos os procedimentos foram realizados no Laboratório de
Ligantes e Misturas Betuminosas do IME.
Tabela 1. Caracterização do CAP 50/70 e do CAP 60/85-E utilizados nesta pesquisa, segundo ANP (2005) e ANP
(2010)
RESULTADO
LIMITES
RESULTADO
LIMITES
ENSAIOS
CAP 50/70
(ANP, 2005) CAP 60/85-E (ANP, 2010)
AMOSTRA VIRGEM
46
40 a 70
Penetração @100g, 5s, 25ºC (0,1mm)
54
50 a 70
Ponto de amolecimento (ºC)
a 135ºC, SP 21, 20 rpm
49
mín 46
67
mín 60
387,5
mín 274
1563
máx 3000
máx 2000
a 150ºC, SP 21, 50 rpm
191
mín 112
766
a 177ºC, SP 21, 100 rpm
70
57-285
286
máx 1000
Índice de susceptibilidade térmica
-1,3
-1,5 a +0,7
-
-
Ponto de fulgor (ºC)
265
mín 235
270
mín 235
-
Viscosidade Brookfield (cP)
Solubilidade em tricloroetileno
100%
mín 99,5%
-
Ductilidade @25ºC (cm)
>120
mín 60
-
-
-
-
89,6%
mín 85%
máx 0,5%
máx 1%
-
Recuperação elástica @25ºC, 20cm
APÓS RTFOT @163ºC, 85min
Variação em massa
0,0%
Ductilidade @25ºC (cm)
>120
mín 20
0,1%
-
+4
máx +8
-3
-5 a +7
56%
mín 55%
61%
mín 60%
-
-
94%
mín 80%
Variação do ponto de amolecimento (ºC)
Penetração retida
Percentagem de recuperação elástica original
Tabela 2. Ensaios reológicos realizados nesta pesquisa para a determinação do grau de desempenho na temperatura alta
CAP 50/70
CAP 60/85-E
PARÂMETRO
TEMPERATURA
virgem após RTFOT virgem após RTFOT
|G*|/sen(δ) @ 10 rad/s
64oC
1,488
3,019
-
-
70oC
0,690
1,335
-
2,866
o
-
-
1,069
1,543
76 C
PG
Jnr @ 3,2 kPa
(kPa-1)
Diferença Jnr
(%)
Recuperação @ 3,2 kPa
(%)
64 XX
58 C
-
1,480
-
-
64oC
-
3,518
-
0,561
o
70 C
-
-
-
1,700
o
58 C
-
2,926
-
-
64oC
-
4,121
-
6,650
o
70 C
-
-
-
51,770
58oC
-
0,864
-
-
64oC
-
0,023
-
60,400
o
-
-
-
38,320
70 C
PG MSCR
70 XX
o
64S XX
64V XX
70H XX
Tabela 3. Caracterização dos agregados minerais utilizados nesta pesquisa
RESULTADOS
ENSAIOS
Brita 1
Brita 0
Pó de pedra
Granulometria por peneiramento
LIMITES
Realizado
Realizado
Realizado
-
Perda por abrasão Los Angeles
24%
39%
-
máx 40%
Densidade real
2,70
2,68
2,74
-
Densidade aparente
2,65
2,62
-
Absorção
0,7%
0,9%
-
-
-
79%
mín 35%
Satisfatória
-
-
-
2,10%
2,11%
3,68%
máx 10%
Equivalente de areia
Adesividade ao ligante asfáltico
(CAP 50/70 + dope; CAP 60/85-E puro)
Sanidade (sulfato de sódio – 4 ciclos)
As características de forma, angularidade e textura dos agregados graúdos foram obtidas pelo
método AIMS, utilizando o equipamento das instalações do CENPES/PETROBRAS. As
classificações seguiram as disposições de Castelo Branco et al. (2007). Verificou-se que o critério
de lamelaridade previsto pela norma AASHTO M 323 é atendido, com todas as frações
apresentando um percentual inferior a 10% de partículas com taxa entre dimensões que excede 1:5.
Entretanto, as demais características não são propícias para o aumento da resistência ao ATR. A
utilização desse agregado na composição da mistura asfáltica tende a formar um esqueleto pétreo
com característica de forma circular, de baixa esfericidade, de angularidade arredondada e de baixa
rugosidade, levando a um pequeno intertravamento e atrito interno reduzido. Em resumo, a maioria
das partículas apresenta as seguintes características:
a)
b)
c)
d)
Esfericidade: de lamelar a baixa;
Índice de forma: de circular a semi-circular;
Angularidade: de arredondado a sub-arredondado; e
Textura: de polido a baixa rugosidade.
Misturas asfálticas
Após a caracterização dos materiais componentes, foram confeccionadas, para fins de
dosagens e ensaios mecânicos, seis misturas asfálticas. No intuito de simplificar as nomenclaturas,
as composições serão doravante designadas por letras e números, que representarão o tipo de ligante
e de agregado, respectivamente. Essas nomenclaturas estão descritas na Tabela 4.
Tabela 4. Nomenclatura das misturas asfálticas utilizadas nesta pesquisa
LIGANTE ASFÁLTICO
MISTURA DE AGREGADO
CAP 50/70
CAP 60/85-E
1
A1
B1
2
A2
B2
3
A3
B3
Todas as seis misturas foram dosadas segundo o método Marshall; duas destas (A2 e B3) também
seguiram o método SUPERPAVE para fins comparativos. Quanto aos agregados, suas temperaturas
foram tomadas como 10ºC acima das temperaturas dos ligantes, determinadas nos ensaios de
caracterização. O material de enchimento (fíler) utilizado nas composições foi o cimento Portland
tipo CP-II 32.
A faixa granulométrica escolhida para as misturas foi a de número 2 da DIRENG (2002), que
também corresponde à faixa 1” max da FAA (2011). As composições das misturas de agregados,
% PASSANDO
com tamanho máximo nominal (TMN) de 19 mm, foram determinadas pelo método das tentativas,
variando os valores de material retido entre as peneiras 3/8” e #10 com a finalidade de verificar a
influência da granulometria dos agregados na deformação permanente. De maneira geral, a mistura
1, com 45,3% de material retido entre as peneiras 3/8” e #10, é a referência para o presente estudo,
já que foi determinada visando o centro da faixa 2, o que é habitual nos projetos de mistura em nível
de construção. A mistura 2, de comportamento fino segundo a norma AASHTO M 323, foi
projetada para tocar o limite superior da faixa granulométrica e apresenta apenas 37,3% de material
retido entre as peneiras 3/8” e #10. Outra variação foi realizada nesse percentual retido (54,5%),
resultando na mistura 3, que toca o limite inferior da faixa granulométrica e classifica-se com
comportamento graúdo segundo a mesma normatização. As curvas granulométricas são
visualizadas na Figura 2.
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
PENEIRAS
(elevado a 0,45
- mm)
MISTURA 1ABERTURA DAS
MISTURA
2
MISTURA
3
Limites Faixa 2
Densidade Máxima
Pontos de Controle
Figura 2. Curvas granulométricas das misturas utilizadas nesta pesquisa
Dosagem Marshall
Os critérios adotados para a definição do teor ótimo de ligante estão na Tabela 5, assim como os
resultados obtidos para cada mistura. Tais parâmetros de referência foram adotados da norma
DIRENG (2002). Observa-se que foi buscado o teor de vazios (Vv) de 4% para todas as misturas na
tentativa de se obter uma padronização da volumetria. Para o cálculo dos parâmetros volumétricos,
utilizou-se a densidade máxima medida da mistura asfáltica (Gmm), obtida pelo método Rice
(AASHTO T 209).
MISTURA
Referência
(DIRENG, 2002)
A1
A2
A3
B1
B2
B3
Tabela 5. Parâmetros finais da dosagem Marshall desta pesquisa
PARÂMETRO
% Ligante
Vv
RBV
Estabilidade
VAM
ótimo
(%)
(%)
(N)
(%)
RT
(MPa)
4,5 a 7,0
2,8 a 4,2
70 a 80
9500 a 16000
> 15
-
5,0
5,0
5,5
5,2
4,4
4,7
4,0 ± 0,3
4,0 ± 0,2
4,0 ± 0,4
4,0 ± 0,5
4,0 ± 0,2
4,0 ± 0,5
73,7
73,4
75,6
75,0
74,0
72,5
12763
10261
12518
15941
25506
14470
15,4
15,3
16,3
16,2
13,6
14,6
1,37
1,08
0,87
1,44
1,35
1,72
Dosagem SUPERPAVE
As misturas A2 e B3 foram novamente dosadas por meio desse método por apresentarem
componentes extremos e divergentes, ou seja, possuem composição pétrea e ligantes com
características distintas (mistura A2: ligante menos rígido e granulometria fina; mistura B3: ligante
mais rígido e granulometria graúda). Todos os procedimentos foram efetuados no Laboratório de
Misturas Asfálticas da COPPE/UFRJ. Foi adotado o número de giros de projeto (Ndes) de 100, que é
indicado para tráfego de médio a pesado, utilizando os esforços de compactação Nini de 8 giros e
Nmax de 160 giros (Bernucci et al., 2010). As propriedades volumétricas das misturas, obtidas pelo
valor médio dos resultados individuais dos corpos de prova, bem como o critério adotado da norma
AASHTO M 323 encontram-se na Tabela 6, considerando um tráfego de 3 a 10 milhões de ESALs
(Equivalent Single Axle Loading).
MISTURA
% Ligante
ótimo
Referência
(AASHTO
M 323)
A2
B3
Tabela 6. Parâmetros finais da dosagem SUPERPAVE
PARÂMETRO
%Gmm
%Gmm
Vv
RBV
VAM
@ Nini (%)
@ Nmax (%)
(%)
(%)
(%)
Razão
Pó/Asfalto
-
≤ 89
≤ 98
4,0
65 a 75
> 13
0,6 a 1,2 (fino)
0,8 a 1,6 (graúdo)
4,3
3,7
89,0
84,3
97,5
98,0
4,0 ± 0,5
4,0 ± 0,4
68,4
63,9
12,6
11,1
1,4
1,5
As curvas de compactação das misturas no teor ótimo de ligante permitiram a extração de
informações importantes que indicam o comportamento da mistura, como o Compaction
Densification Index (CDI) e o Traffic Densification Index (TDI). Além desses parâmetros, calculouse o número de giros equivalente (Neq) do compactador giratório para a obtenção do mesmo teor de
ligante ótimo da dosagem Marshall, conforme apresentado por Nascimento (2008). A Tabela 7
apresenta esses valores característicos das misturas.
Tabela 7. Parâmetros retirados das curvas de compactação giratória desta pesquisa
CDI
TDI
MISTURA
Neq
(100 giros)
(100 giros)
A2
33
18,3
542,2
B3
47
130,3
487,9
RESULTADOS
Ensaios mecânicos
Os resultados dos ensaios de módulo de resiliência e os cálculos de seus respectivos parâmetros
estatísticos estão contidos na Tabela 8. O MR médio, característico de cada mistura, foi tomado
como a média aritmética dos resultados que se enquadraram dentro do intervalo de confiança de
95%. Esse procedimento adotado foi útil para a eliminação de resultados discrepantes nas misturas
que apresentaram um coeficiente de variação elevado, apesar de que nenhum valor extremo foi
acusado pelo teste de Grubbs. Analisando os resultados, constata-se que o efeito esperado de ganho
de rigidez nas misturas dotadas de CAP modificado em relação às misturas constituídas de CAP
convencional foi confirmado. Quando se verifica o efeito médio do ligante, ou seja, a média dos
valores das misturas dotadas de mesmo CAP, observou-se que houve um ganho médio de 19%
(1246 MPa) das misturas tipo “B” em relação àquelas tipo “A”. Com relação ao efeito médio dos
agregados, ou seja, a média dos valores das misturas dotadas de mesma granulometria, é possível
verificar que o maior resultado médio foi apresentado pela mistura 3 (7753 MPa), seguido da
mistura 2 (7358 MPa) e da mistura 1 (6880 MPa). Em outras palavras, a mistura 3, que apresenta
comportamento graúdo, obteve resultados superiores à mistura 1 (referência) em 13%. Já a mistura
2, de comportamento fino, superou em 7% a mistura de referência.
Tabela 8. Tratamento estatístico dos resultados de MR dos CPs Marshall desta pesquisa
INTERVALO DE CONFIANÇA
DESVIO
COEFICIENTE
MR MÉDIO
MISTURA
(95%) (MPa)
PADRÃO (MPa)
DE VARIAÇÃO
(MPa)
A1
6765 a 7526
495
6,9%
7110
A2
6520 a 7540
664
9,4%
6997
A3
5342 a 6741
910
15,1%
6015
B1
6356 a 6997
417
6,3%
6650
B2
7025 a 11888
3163
33,4%
7719
B3
8855 a 9947
710
7,6%
9490
Quanto à vida de fadiga, com a variação do nível de tensão na faixa de 10% a 40% da resistência à
tração indireta (RT), foi possível o estabelecimento das curvas de diferença de tensões (∆σ) x
número de ciclos necessários à ruptura (Nf), conforme a Figura 3. Quando foi considerada a
característica resiliente de cada mistura através do MR, uma relação da deformação resiliente (ε r)
também foi estabelecida com Nf (ver Figura 4). Para as misturas A1, A2, B1 e B2, que apresentam
MR semelhantes, é possível a realização de uma análise comparativa entre as curvas de fadiga para
um mesmo valor de ∆σ. Exceção deve ser feita às misturas A3 e B3, que apresentaram,
respectivamente, valores de MR abaixo e acima dos limites do intervalo de confiança de 95%. Uma
análise mais complexa seria necessária, envolvendo a estrutura e a rigidez do pavimento, o
carregamento, o tráfego e a variação climática.
Os resultados de deformação permanente acumulada, utilizando o simulador de tráfego francês,
foram medidos nos ciclos 1000, 3000, 10000 e 30000. Os resultados são expressos em termos de
percentagem da espessura inicial da placa moldada. O limite operacional do equipamento foi
atingido pelas misturas dotadas de ligante convencional (Ligante A) logo após a ultrapassagem da
marca dos 10000 ciclos. Nesse ponto de parada, o número de ciclos e o afundamento médio também
foram medidos. Ao final, com todos esses dados, foi possível a obtenção da curva da evolução da
deformação permanente ao longo dos ciclos, utilizando uma regressão com modelo potencial do
tipo y = a x b, cujos parâmetros “a” e “b” encontram-se na Figura 5.
Número de aplicações, N
1000000
100000
Mistura A1
y = 8256,2x-3,591
R² = 0,8678
Mistura B1
y = 8473.7x-3.347
R² = 0,9913
10000
Mistura A3
y = 2163,7x-4,19
R² = 0,937
Mistura B2
y = 10022x-4.243
R² = 0,9387
1000
Mistura A2
y = 2396,2x-2,926
R² = 0,9469
Mistura B3
y = 4342.4x-2.989
R² = 0,9749
100
0,1
1
Diferença de tensões, Ds (MPa)
A1 A2 A3 B1 B2 B3
Figura 3. Curva de fadiga das misturas Marshall desta pesquisa (∆σ x Nf)
10
Número de aplicações, N
1000000
Mistura B1
y = 1E-11x-3.347
R² = 0,9913
100000
10000
1000
Mistura B3
y = 9E-11x-2.989
R² = 0,9749
Mistura A1
y = 8E-13x-3,591
R² = 0,8678
Mistura A2
y = 2E-10x-2,926
R² = 0,9469
100
1E-05
Mistura B2
y = 9E-16x-4.243
R² = 0,9387
Mistura A3
y = 1E-15x-4,19
R² = 0,937
1E-04
Deformação específica resiliente, er
A1
A2
A3
B1
B2
B3
Afundamento relativo à espessura inicial
Figura 4. Curva de fadiga das misturas Marshall desta pesquisa (εr x Nf)
60%
55%
50%
45%
40%
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
B1
A1
y = 0,0013x0,5652 y = 0,0009x0,6232
R² = 0,9918
R² = 0,9964
0
A1
5000
A2
10000
A3
A2
y = 0,0005x0,6199
R² = 0,8927
B2
y = 0,0087x0,1576
R² = 0,981
A3
y = 0,0136x0,3156
R² = 0,9999
B3
y = 0,0087x0,222
R² = 0,9781
15000
Ciclos
20000
25000
30000
B1
B2
B3
Limite (europeu)
Figura 5. Evolução da deformação permanente ao longo dos ciclos do simulador de tráfego francês das misturas
Marshall desta pesquisa
As determinações do módulo dinâmico por meio de ensaios uniaxiais foram realizadas em seis
frequências, nas temperaturas de ensaio de 25ºC e 60ºC. Os valores médios registrados nos dois CPs
para esse módulo e para o ângulo de fase nas misturas SUPERPAVE (A2 e B3) foram armazenados
e comparados por meio das curvas mestras traçadas pelo modelo sigmoidal (Pelinen e Witczak,
2002) na temperatura de referência de 35ºC (ver Figura 6).
Os ensaios uniaxiais de carga repetida para obtenção do Flow Number foram desenvolvidos nos
mesmos CPs utilizados no ensaio de módulo dinâmico a 60ºC. Após a modelagem das curvas de
deformação pelo modelo de Francken (Gibson et al., 2011), foram extraídos os resultados de FN,
deformação permanente no FN (εp(FN)) e FN Index (Zhang et al., 2013), conforme a Tabela 9.
|E*| (MPa)
10000
1000
100
0,001
0,1
10
Frequência reduzida (Hz)
A2
1000
B3
Figura 6. Curvas mestras das misturas asfálticas desta pesquisa na temperatura de referência de 35ºC
Tabela 9. Resultados do ensaio uniaxial de carga repetida (FN) das duas misturas asfálticas desta pesquisa
FN
εp(FN)
FN INDEX
MISTURA
CP
(ciclos)
(microstrains)
(microstrains/ciclo)
1
156
9727,9
62,4
A2
2
77
5834,8
75,8
1
5484
7762,4
1,4
B3
2
> 7200
≥ 7187,2
≤ 1,0
Análises da influência do ligante e do agregado na deformação permanente
Com todos os resultados de deformação permanente acumulada com simulador de tráfego francês,
uma análise dos efeitos médios e das interações entre as variáveis “ligante” e “agregado” foi
conduzida, balizada pelo programa experimental fatorial. Ressalta-se que “agregado” é o termo
usado como simplificação para a variação granulométrica realizada nos estudos. Os parâmetros de
deformação permanente avaliados foram: o percentual de deformação plástica acumulada após
10000 ciclos e o parâmetro de regressão “b” (taxa de incremento da deformação plástica por ciclo).
Todos os estudos foram parametrizados em função das variáveis de referência (ligante: A;
agregado: 1). Para os dados gráficos de efeito médio e interações, a prática adotada foi a designação
dos tipos de ligantes e agregados por meio de números que variam de -1 a 1, conforme a Tabela 10.
Tabela 10. Designação numérica para o estudo gráfico dos efeitos de cada tipo de ligante e agregado na mistura
asfáltica deste estudo
MISTURA
LIGANTE
AGREGADO
A1
-1
0
A2
-1
-1
A3
-1
1
B1
1
0
B2
1
-1
B3
1
1
Quanto aos efeitos médios, pode-se afirmar, de acordo com a Tabela 11, que a variação do agregado
nas misturas asfálticas é o parâmetro que mais influencia sua resistência ao ATR, considerando o
fenômeno ocorrido até o ciclo 10000. Contudo, a participação das características do ligante na
mistura também influenciou os resultados de deformação permanente. De maneira geral, a variação
do ligante A para o B causou um ganho médio de 34% na resistência ao ATR. Já o papel
desempenhado pelo agregado mostrou-se mais preponderante. A variação do agregado 1 para o 2
impactou em uma resistência 69% superior; esse ganho foi de 41% quando houve a variação do
agregado 1 para o 3. A Figura 7 ilustra esses efeitos de maneira gráfica.
Tabela 11. Efeitos médios de cada tipo de ligante e agregado sobre o percentual de deformação permanente acumulada
após 10000 ciclos das misturas asfálticas desta pesquisa
EFEITO MÉDIO
PERCENTUAL SOBRE
COMPONENTE
(%εp após 10000 ciclos)
A REFERÊNCIA
A
20,2%
LIGANTE
-34%
B
13,3%
AGREGADO
1
26,4%
-
2
8,2%
-69%
3
15,6%
-41%
Figura 7. Gráficos de efeitos do ligante e do agregado sobre a deformação permanente acumulada após 10000 ciclos das
misturas asfálticas desta pesquisa
Apesar das predominâncias de efeito de um fator sobre o outro, não se pode garantir que apenas a
modificação de um irá produzir o efeito desejável na mistura asfáltica, pois podem existir interações
entre eles. No caso de ligantes e agregados em misturas asfálticas, essa interação normalmente é
comum e costuma ser visualizada nos índices volumétricos. No caso do percentual de afundamento
após o ciclo 10000, essa interação entre os componentes da mistura asfáltica fica evidenciada
através do cruzamento das retas da Figura 8. Existe um interação formada entre as misturas de
agregado 1 e 3, ou seja, a mistura 1 não irá ganhar integralmente os 41% de resistência ao ATR se
apenas o seu esqueleto pétreo for alterado e o tipo de ligante for mantido; o mesmo acontece se só o
ligante for alterado.
Passando para a análise da influência dos componentes da mistura asfáltica sobre a taxa de
deformação “b” obtida pela modelagem dos resultados de deformação permanente com o simulador
de tráfego francês, verifica-se, na Tabela 12, que a adoção do CAP modificado registra uma redução
de 33% na evolução do dano permanente quando comparado ao CAP convencional. Quanto à
variação dos agregados, 35% e 55% são as reduções obtidas pela adoção dos agregados 2 e 3 sobre
aquele de referência, respectivamente. A Figura 9 mostra o gráfico de efeitos médios dos
componentes da mistura asfáltica sobre a taxa de deformação e a Figura 10 evidencia, também, uma
rede de interações entre as variáveis; só não houve interação entre as misturas asfálticas dotadas de
agregado 1 e aquelas compostas por agregado 3.
Figura 8. Gráfico de interações de ligante e agregado sobre a deformação permanente acumulada após 10000 ciclos das
misturas asfálticas desta pesquisa
Tabela 12. Efeitos médios de cada tipo de ligante e agregado sobre a taxa de deformação permanente “b” das misturas
asfálticas desta pesquisa
EFEITO MÉDIO
PERCENTUAL SOBRE
COMPONENTE
(parâmetro “b”)
A REFERÊNCIA
A
0,5002
LIGANTE
-33%
B
0,3343
AGREGADO
1
0,5942
-
2
0,3888
-35%
3
0,2688
-55%
Figura 9. Gráficos de efeitos do ligante e do agregado sobre a taxa de deformação permanente “b” das misturas
asfálticas desta pesquisa
Análise do esqueleto pétreo com o método Bailey
Para o cálculo das proporções previstas pelo método Bailey, deve-se, em primeiro lugar, definir o
comportamento da mistura de agregados. Essa pesquisa adotou como critério de classificação do
comportamento da mistura granulométrica (graúda ou fina) aquela defina por Vavrik (2002),
comparando os vazios dos agregados graúdos soltos no estado seco (VAGss) com os vazios dos
agregados graúdos na mistura asfáltica (VAGmc). Todas as misturas granulométricas foram
classificadas como finas. Então, há a necessidade de se calcular as proporções considerando essa
nova situação. Para fins comparativos, a Tabela 13 expõe o cálculo das proporções considerando as
granulometrias como graúdas e como finas.
Figura 10. Gráfico de interações de ligante e agregado sobre a taxa de deformação permanente “b” das misturas
asfálticas desta pesquisa
Tabela 13. Cálculo das proporções AG, GAF e FAF das misturas granulométricas desta pesquisa
MISTURA
GRANULOMÉTRICA
PROPORÇÕES
(comportamento graúdo)
AG
GAF
FAF
PROPORÇÕES
(comportamento fino)
AG
GAF
FAF
1
44,4%
58,5%
49,6%
58,1%
49,6%
37,0%
2
29,2%
64,8%
49,1%
92,8%
49,1%
32,5%
3
61,8%
49,0%
50,6%
33,4%
50,6%
45,6%
Afundamento @ 1000 ciclos
Quando se comparam as proporções do método Bailey com os resultados de deformação
permanente com simulador de tráfego francês, não é possível determinar uma relação direta entre os
diversos fatores. Houve a tendência, apenas, da formação de um esqueleto pétreo mais resistente ao
ATR, nos primeiros 1000 ciclos, nas misturas granulométricas com maiores proporções AG (ver
Figura 11). Porém, essa mesma proporção conseguiu prever a razão VAGss/VAGmc, que define o
comportamento graúdo ou fino da mistura de agregados e é um dos requisitos para a obtenção da
resistência interna do concreto asfáltico (Chen e Liao, 2002). A Figura 12 ilustra essa relação
descrita.
14%
12%
10%
y = 0,1232e-1,348x
R² = 0,4535
8%
6%
4%
2%
0%
0,15
0,35
0,55
0,75
0,95
Proporção AG (comportamento fino)
1,15
Figura 11. Relação entre proporção AG (comportamento fino) e deformação permanente (simulador de tráfego francês)
das misturas asfálticas desta pesquisa
VAGss / VAGmc
95%
90%
y = 0,7417x-0,18
R² = 0,9891
85%
80%
75%
70%
0,15
0,35
0,55
0,75
0,95
Proporção AG (comportamento fino)
1,15
Figura 12. Relação entre a proporção AG (comportamento fino) e a razão VAG ss/VAGmc das misturas asfálticas desta
pesquisa
Seguindo ainda as proposições de Chen e Liao (2002), a resistência interna da mistura asfáltica é
atingida para o menor VAM possível quando ela apresenta VAGsc > VAGmc. Alterando o VAGsc
para o VAGss, é possível a proposição de um fator de empacotamento dos agregados (FEss), que
relaciona-se de maneira adequada com a taxa de deformação permanente “b” observada nos ensaios
com simulador de tráfego francês. A Equação ((1) propõe o cálculo desse fator e a Figura 13 mostra
seu relacionamento com a taxa de deformação permanente “b”.
𝐹𝐸𝑠𝑠 =
𝑉𝐴𝑀
𝑉𝐴𝐺𝑠𝑠
⁄𝑉𝐴𝐺
𝑚𝑐
(1)
Onde: FEss = fator de empacotamento dos agregados (condição solta e seca);
VAGss = vazios dos agregados graúdos soltos no estado seco; e
VAGmc = vazios dos agregados graúdos na mistura asfáltica.
Taxa de deformação
permanente "b"
0,7
0,6
0,5
y = 10761,4x6,0826
R² = 0,8056
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,15
0,16
0,17
0,18
FEss
0,19
0,2
0,21
Figura 13. Relação entre o FEss e a taxa de deformação permanente “b” obtida com simulador de tráfego francês desta
pesquisa
CONCLUSÕES E ANÁLISES
Este trabalho teve como objetivo principal a análise dos resultados de deformação permanente
acumulada pelas misturas asfálticas obtidos por simulador de tráfego francês, a fim de estabelecer o
grau de influência que o tipo de ligante e de esqueleto pétreo exerce sobre o fenômeno em estudo.
Nas misturas desta pesquisa, foi comprovado o papel determinante do esqueleto pétreo sobre o CAP
utilizado. Porém, existe a interação entre esses componentes, normalmente refletida nos índices
volumétricos, principalmente na adoção de uma granulometria mais graúda que a da mistura de
referência. O bom comportamento das misturas de comportamento mais fino (tipo 2) comparado às
demais, tanto na deformação permanente após 10000 ciclos quanto na taxa de acúmulo dessa
deformação, foi explicada pela alta proporção de agregados graúdos em sua mistura de
comportamento fino, avaliada pelo método Bailey. Essa proporção AG é fortemente relacionada
com a razão entre vazios do agregado graúdo na condição solta seca e vazios do agregado graúdo na
mistura asfáltica (VAGss/VAGmc). Essa razão, por sua vez, quando associada ao VAM da mistura,
resulta em um fator de empacotamento de agregados na condição solta seca (FEss), que consegue
explicar, de maneira plausível, o comportamento da taxa de acúmulo de deformação permanente
das misturas asfálticas estudadas.
No ensaio de deformação permanente com simulador de tráfego francês, as misturas dotadas de
CAP modificado tiveram um melhor comportamento que as compostas por CAP convencional. A
taxa de acúmulo de deformação permanente observada foi menor nas misturas granulométricas mais
graúdas e miúdas que a de referência, independente do tipo de ligante.
Apesar da mistura de CAP 50/70 e granulometria fina (A2), dosada pelo método SUPERPAVE,
apresentar valores de módulo dinâmico superiores aos da mistura de CAP 60/85-E e granulometria
graúda (B3), os parâmetros Flow Number (FN) e FN Index indicaram um comportamento contrário
a essa rigidez. A projeção de deformação permanente determinada pelo CDI na dosagem foi
confirmada no ensaio de Flow Number, que mostrou que o FN Index da mistura de CAP modificado
e granulometria graúda (B3) era, aproximadamente, 50 vezes menor que o da mistura de CAP
convencional e granulometria miúda (A2).
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