DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FADIGA DE MISTURAS ASFÁLTICAS
COM DIFERENTES TIPOS DE LIGANTES ASFÁLTICOS E AGREGADOS
Leonardo Santana Cavalcanti
Asfálticos Consultoria Ltda.
Valéria Cristina de Faria
CCR NovaDutra
Sandra Oda
Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
Departamento de Engenharia de Transportes
Rodrigo Maluf Barella
Asfálticos Consultoria Ltda.
RESUMO
Os parâmetros usualmente obtidos nos métodos convencionais de dosagem das misturas asfálticas nem sempre
possibilitam que seja feita uma escolha otimizada com relação ao tipo de mistura mais adequado a um
determinado projeto, em vista da falta de uma correspondência direta entre esses parâmetros e os defeitos que a
camada de revestimento apresentará no campo, particularmente, a resistência à fadiga. O objetivo desse trabalho
é obter os parâmetros que permitam a previsão da vida de fadiga de revestimentos asfálticos utilizando o método
de ensaio de fadiga de ruptura com velocidade controlada e fadiga de viga de quatro pontos. Nesse trabalho
foram avaliados quatro tipos de ligantes asfálticos (CAP 30/45, CAP modificado com borracha, CAP modificado
com polímero 60/85 e CAP HiMA (Highly Modified Asphalt, com 7,5% de SBS)) e agregados de duas pedreiras
utilizados pela CCR Nova Dutra em suas obras de pavimentação. Além disso, serão avaliados três tipos de
misturas densas com faixas granulométricas muito utilizadas pela CCR Nova Dutra: duas faixas de concreto
asfáltico SUPERPAVE (CA 9,5 mm e 12,5 mm) e uma faixa DERSA - Faixa III. Os resultados obtidos no
ensaio de fadiga de ruptura com velocidade controlada mostram que as misturas com o CAP HiMA (Highly
Modified Asphalt, com 7,5% de SBS) apresentaram maior vida de fadiga quando comparadas com os outros
ligantes e que ficou evidente a influência do tipo de ligante na resistência à fadiga. No entanto não houve uma
relação com os resultados de fadiga de 4 pontos, cujos resultados mostraram que além do tipo ligante, o teor
também influencia na vida de fadiga.
Palavras-chave: Fadiga; misturas asfálticas; asfalto modificado.
1. INTRODUÇÃO
A concessionária que mantém a rodovia Presidente Dutra (BR116) tem adotado várias
tecnologias em suas obras de reconstrução e manutenção. O uso de técnicas aplicadas na
Europa e Estados Unidos tem sido parte de benchmarking para pavimentação no Brasil,
visando maior desempenho, conforto e segurança, aliado ao menor custo de manutenção das
rodovias. Entretanto, devido às particularidades de clima e materiais encontrados no Brasil,
algumas tecnologias podem apresentar resultados aquém do esperado.
Sabe-se que as condições climáticas, controle de qualidade de execução e o comportamento
dos diferentes materiais podem interferir no tempo de vida útil de uma via e que, portanto, o
desempenho de determinado material não é uma constante. Diante do exposto e com intuito
de se executar serviços de melhor qualidade, a CCR NovaDutra vem obtendo parâmetros
através de pesquisas com instituições renomadas como a UFRJ e USP, além de ensaios
realizados no seu próprio Centro de Pesquisas Rodoviárias (CPR NovaDutra). Estes dados
permitem a previsão de desempenho de revestimentos asfálticos, de modo a possibilitar uma
escolha apropriada com base em simulações técnicas e da análise econômica em laboratório
da mistura mais adequada a uma determinada obra.
O presente artigo é parte de um estudo do comportamento à fadiga de misturas asfálticas mais
frequentemente aplicadas pela concessionária, assim como algumas que foram aplicadas em
trechos experimentais e que ainda estão sendo monitoradas. A pesquisa está sendo realizada
no Centro de Pesquisa da CCR por meio de dois métodos de previsão de fadiga: fadiga de
ruptura com velocidade controlada e o consagrado ensaio de fadiga de 4 pontos, muito
utilizado na área de engenharia de materiais.
2. ENSAIOS DE FADIGA DE MISTURAS ASFÁLTICAS
2.1. Fadiga de Velocidade Controlada
A prensa de compressão diametral é o equipamento utilizado para realização do ensaio de
fadiga de velocidade controlada com algumas adaptações para permitir a leitura da
deformação e controle de velocidade de aplicação da força, os quais são parâmetros utilizados
no cálculo da estimativa de tempo de vida útil relacionado à fadiga.
A ruptura de um sólido se dá pela exaustão da energia de ligação interna do material,
decorrente do trabalho efetuado pelas cargas externas. No caso do concreto asfáltico, esta
energia de ligação está associada diretamente à coesão que o asfalto adiciona à matriz de
agregados (Rodrigues, 2000). Uma expressão geral da velocidade de perda de energia de
ligação WR do material é dada pela chamada equação cinética:
onde:
−1 =
(1)
WR0 = energia de ligação inicial, do material sem fadiga;
t = tempo;
σ = tensão aplicada;
n = expoente da lei de fadiga (função da temperatura);
η = viscosidade dissipativa da mistura (função da temperatura e do tempo de aplicação de
carga).
A viscosidade dissipativa da mistura é dada pela seguinte expressão:
η=
onde:
| ∗ |
(2)
E* = módulo dinâmico;
ω = freqüência de aplicação de carga (rad/s);
φ = ângulo de fase entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante (rad).
O ângulo de fase pode ser calculado por:
onde:
= + + | ∗ | + ! "#$% + & '()(3)
b0 = -20.05586
-2
b1 = 7.007547 × 10-2
b2 = -2.899322 × 10
b3 = 3.605885
b4 = -1.237843 × 10-3
VFA = relação betume-vazios = 100 VB/VAM
Tabs = temperatura absoluta (Kelvin) = T(0C) + 273,15
Considerando que para cada pulso de tensão haverá uma parcela de perda da energia de
ligação WR, tem-se que:
* = onde:
−1 Δ, (4)
σ = tensão de tração;
∆tc = tempo de aplicação da tensão de tração;
Após Nf repetições de carga, a energia de ligação total WR0 estará completamente exaurida,
levando à formação de uma trinca de fadiga. Dessa forma:
0
1 ./ =
1 2 (5)
∆,
Tal expressão é conhecida como a lei de fadiga observada em ensaios de tensão controlada
(Rodrigues, 2000).
2.2. Fadiga de Viga de Quatro Pontos.
O ensaio de fadiga de quatro pontos tem sido muito utilizado na engenharia de materiais para
se estimar a vida de fadiga. A área naval, aeroespacial, ortopedia e estruturas em geral tem
lançado mão deste mecanismo de avaliação por se garantir que o material trabalhe apenas a
flexão, sem influência de esforços normais ou cortantes.
Figura 1 - Aplicação do ensaio de fadiga de 4 pontos em diversas áreas da engenharia (Google
2013).
O 4BP, como também é conhecido o ensaio de fadiga de viga de 4 pontos, é realizado de
modo a permitir que no centro da viga haja momento constante máximo ou mínimo (quando
da inversão do sentido da força) e cortante igual a zero, ou seja, condição de flexão pura.
Desta forma se garante que as trincas não são devido ao cisalhamento, conforme mostrado na
Figura 2:
Figura 2 - Diagramas de esforços da viga.
A existência de momento máximo e mínimo se dá devido à inversão do sentido da força
durante o ensaio, gerando tração das fibras inferiores da viga num determinado momento e
durante igual tempo gerando tração das fibras superiores. Este tempo total equivale a um
ciclo.
As normas AASHTO T321-07 e ASTM D 7460-08 descrevem o ensaio de fadiga de 4 pontos
de vigas de misturas asfálticas, as quais definem o parâmetro de rigidez à flexão da viga como
sendo a relação entre a tensão máxima de tração e a deformação máxima da viga, conforme
Equação 6.
onde:
4=
56
6
(6)
S = Rigidez à flexão da viga;
σt = Tensão aplicada;
Ɛt = Deformação.
A rigidez é o parâmetro utilizado para se definir a condição de fadiga da viga. A norma da
AASHTO define o fim do ensaio quando a rigidez da viga alcança 50% da rigidez inicial,
enquanto que a ASTM recomenda 40%. Esta redução de rigidez se dá devido às microfissuras
que evoluem durante o processo de aplicação de ciclos de cargas (Adhikari e You, 2010).
A frequência estabelecida em normas para o ensaio é de 5Hz a 10Hz e temperatura de 20°C,
entretanto os equipamentos permitem a variação destes dados, facilitando uma análise mais
aprofundada dos materiais e permitindo a avaliação em situações bem diferentes de clima e
tráfego.
Há vários modelos para se estimar a vida de fatiga de uma amostra de mistura asfáltica. O
mais simples é baseado apenas na deformação ou na tensão, conforme Equações 7 e 8:
1 <=
./ = 8 .
(7)
:;
onde:
1 <=
./ = 8 .
(8)
;
Nf = Vida de fadiga – Números de ciclos até 50% ou 40% da rigidez inicial;
Ɛt = Deformação;
σt = Tensão aplicada;
K1 e K2 = Coeficientes.
Os coeficientes são determinados por meio de regressão linear e desta forma foi possível a
determinação de dois modelos muito utilizados na estimativa de vida de fatiga de misturas
asfálticas:
Shell model:
./ = 0,0796. (:; )!,C . 4 ,DE& (9)
Asphalt Institute model: ./ = 0,0685. (:; )E,FG . 4 ,!F! (10)
onde:
Nf = Vida de fadiga;
Ɛt = Deformação (in/in);
S= Rigidez (PSI);
As vigotas utilizadas como corpos de prova para ensaio de fadiga devem possuir comprimento
de 380 ± 6mm, largura de 63 ± 6mm e altura de 50 ± 6mm. A temperatura do ensaio segundo
norma é de 20 ± 0,5°C, portanto, deve-se ter o cuidado de se condicionar os corpos de prova
por no mínimo 2 horas para que não haja influência da temperatura.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho foram utilizados os materiais (agregados e ligantes asfálticos) mais
empregados pela CCR NovaDutra em suas obras de pavimentação. Os agregados utilizados
são: Brita 1; pedrisco e pó de pedra provenientes das pedreiras Jambeiro (SP) e Pombal (RJ),
além do uso de cal como filler e melhorador de adesividade. Os ligantes utilizados foram:
CAP 30/45 (Petrobras Distribuidora), CAP modificado com borracha (Greca), CAP
modificado com polímero 60/85 (NTA) e CAP HiMA (Highly Modified Asphalt, com 7,5%
de SBS tipo Kraton MD0243) (NTA).
O método de dosagem empregado foi o Marshall com a seleção de três faixas
granulométricas, sendo as mais utilizadas pela CCR Nova Dutra: duas faixas de concreto
asfáltico Superpave (CA 9,5 mm e 12,5 mm) e uma faixa DERSA - Faixa III. Os projetos de
misturas contemplaram as combinações de agregados, ligantes asfálticos e faixas
granulométricas conforme Tabela 1.
Tabela 1 - Combinações de misturas com os diferentes materiais
PEDREIRA
POMBAL
PBL
JAMBEIRO
JBR
LIGANTE ASFÁLTICO
CAP 30/45
CAP borracha
CAP 60/85
CAP HiMA
CAP 30/45
CAP borracha
CAP 60/85
CAP HiMA
FAIXA GRANULOMÉTRICA
CA Faixa
12,5 mm
CA Faixa
9,5 mm
CA Faixa III
DERSA
CA 12,5
CA 9,5
DERSA
3.1. Caracterização dos Ligantes
A caracterização dos ligantes foi realizada por meio dos ensaios convencionais conforme
Resoluções 019/2005, 031/2007 e 039/2008 da ANP, as quais especificam as características
dos CAP’s convencionais, asfalto polímero e asfalto borracha, respectivamente. Na Tabela 2 é
mostrado um quadro com resultado dos ensaios dos ligantes utilizados neste trabalho:
Tabela 2 - Caracterização de ligantes
Características
Unidades
Densidade
Viscosidade Brookfield a 135ºC, 20 rpm
Viscosidade Brookfield a 150ºC
Viscosidade Brookfield a 177ºC
Penetração (100g, 5s, 25°C) (Pen)
Ponto de Amolecimento (Pa)
Índice de Susceptibilidade Térmica (I)
Espuma a 177°C
Recuperação Elástica por torção
*Ensaio realizado a 175°C.
g/dm3
cP
cP
cP
0,1mm
°C
%
30/45
1,013
505
244
85
33
54
-1,2
negativo
-
Resultados
Borracha
60/85
1,031
1,006
1998
859
1845*
268
41
51
62
62
negativo
68
60
HiMA
1,011
1685
690
229
40
72
negativo
63,5
3.2. Caracterização dos Agregados
Os agregados foram caracterizados segundo a sua granulometria, densidade real, densidade
aparente e abrasão Los Angeles (brita 1 e pedrisco). Na tabela 3 são mostrados os resultados
dos ensaios de agregados das pedreiras Jambeiro e Pombal.
Tabela 3 - Caracterização dos Agregados
Peneira
#
1"
3/4"
1/2"
3/8
Nº 8
Nº 10
Nº 16
Nº 30
Nº 200
Abertura
mm
25,0
19,0
12,5
9,5
2,36
2,00
1,18
0,60
0,075
Real
Densidades
Aparente
Abrasão Los Angeles (%)
Brita 1
100,0
98,3
28,4
5,9
1,1
1,0
1,0
0,8
0,5
2,805
2,764
46,5
Pedreira Pombal
% passante
Pedrisco
Pó de pedra
100,0
100,0
100,0
100,0
99,8
100,0
86,0
100,0
11,9
99,1
5,6
82,1
4,9
56,6
3,9
35,6
2,1
14,9
2,822
2,853
2,756
2,837
46,4
Brita 1
100,0
100,0
36,6
12,2
1,5
1,0
0,9
0,7
0,5
2,661
2,635
34,3
Pedreira Jambeiro
% passante
Pedrisco
Pó de pedra
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
85,8
100,0
3,2
97,2
2,2
69,3
2,0
36,4
1,7
21,4
1,3
12,5
2,662
2,662
2,623
2,629
3.3. Características das Misturas Asfálticas
Para a dosagem das misturas foi utilizada a metodologia Marshall buscando os vazios de 4% e
compactação com 75golpes por face. Foram determinados os principais parâmetros
volumétricos: massa específica aparente do corpo de prova (Gmb), volume de vazios da
mistura (Vv), vazios do agregado mineral (VAM) e relação betume vazios (RBV), além do
parâmetro mecânico de resistência à tração da mistura asfáltica.
A Tabela 4 apresenta os limites inferior e superior das faixas adotadas, assim como os limites
dos parâmetros volumétricos.
Tabela 4 - Limites das faixas adotadas.
PENEIRAS
#
mm
1"
25,0
3/4"
19,0
1/2"
12,5
3/8"
9,5
Nº 4
4,75
Nº 10
2,00
Nº 40
0,42
Nº 80
0,18
Nº 200
0,075
Parâmetros
VCA
VAZIOS
VAM
Resistencia a tração
Filer / ligante
Danos por umidade induzida
Diâmetro máximo
CA - FAIXA III
DERSA
Mín.
Máx.
100
100
100
100
80
100
70
90
50
70
33
48
15
25
8
17
4
10
Mínimo
Máximo
65
75
3
5
14,0
0,6
0,6
1,6
75,00
12,5
DERSA ET - P00/027
REV A de 08/04/1997
Especificação
CA- FAIXA EGL
12,5mm
Mín.
Máx.
100
100
100
100
90
100
80
95
40
60
25
40
10
20
5
15
2
10
Mínimo
Máximo
65
75
3
5
14,0
0,6
0,6
1,6
75,00
12,5
ENGELOG GER-A1PV/ES-E-002 REV. 6
(CA) de 07/05/2009
CA- FAIXA EGL 9,5mm
Mín.
Máx.
100
100
100
100
100
100
90
100
40
65
25
45
13
24
8
17
4
10
Mínimo
Máximo
65
75
3
5
15,0
0,6
0,6
1,6
75,00
12,5
ENGELOG GER-A1PV/ES-E-002 REV. 6 (CA)
de 07/05/2009
PBL – Pedreira Pombal
JBR – Pedreira Jambeiro
120,0
% Passante
100,0
80,0
EGL12,5 PBL
60,0
EGL9,5 PBL
40,0
III DERSA PBL
20,0
EGL12,5 JBR
0,0
EGL9,5 JBR
0,01
0,1
1
10
Peneira mm
100
III DERSA JBR
Figura 3 – Curvas granulométricas das faixas utilizadas.
Foram elaborados projetos de 24 misturas, as quais estão identificadas na Tabela 5 de acordo
com os materiais constituintes.
Tabela 5 - Identificação das misturas conforme os materiais constituintes.
Mistura
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
P9
P10
P11
P12
P13
P14
P15
P16
P17
P18
P19
P20
P21
P22
P23
P24
CAP
30/45
Borracha
60/85
HiMA
30/45
Borracha
60/85
HiMA
30/45
Borracha
60/85
HiMA
30/45
Borracha
60/85
HiMA
30/45
Borracha
60/85
HiMA
30/45
Borracha
60/85
HiMA
Faixa Granulométrica
EGL 12,5mm
EGL 12,5mm
EGL 12,5mm
EGL 12,5mm
EGL 9,5mm
EGL 9,5mm
EGL 9,5mm
EGL 9,5mm
III DERSA
III DERSA
III DERSA
III DERSA
EGL 12,5mm
EGL 12,5mm
EGL 12,5mm
EGL 12,5mm
EGL 9,5mm
EGL 9,5mm
EGL 9,5mm
EGL 9,5mm
III DERSA
III DERSA
III DERSA
III DERSA
Pedreira de origem dos Agregados
Pombal
Pombal
Pombal
Pombal
Pombal
Pombal
Pombal
Pombal
Pombal
Pombal
Pombal
Pombal
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Jambeiro
Os teores de ligante e os parâmetros volumétricos e de resistência à tração foram
determinados para todas as 24 misturas e constam nas Tabelas 6 e 7.
Tabela 6 - Parâmetros de dosagem das misturas com agregados oriundos da pedreira Pombal.
Parâmetros
Teor ótimo em peso de asfalto
adicionado (AASHTO R-35)
Absorção de asfalto pelo agregado
(AASHTO R-35)
Densidade máxima da mistura (sem
vazios)
Teor de vazios de ar (Va %)
(AASHTO R-35)
Vazios do agregado mineral
(VAM %) (AASHTO M-323)
Vazios cheios de asfalto (VCA %)
(AASHTO M-323)
Resistência a tração por compressão
diametral (mPa) DNIT ME138 ASTM C 496
Relação filler / ligante (AASHTO M323)
Porcentagem de asfalto em volume /
volume total de massa (adicionado)
P1
P2
P3
P4
P5
P6
Misturas
P7
P8
P9
P10
P11
P12
4,9% 5,4% 4,7% 4,6% 4,8% 5,6% 4,7% 4,8% 5,0% 5,7% 4,9% 5,0%
4,6% 5,1% 4,4% 4,3% 4,5% 5,3% 4,4% 4,5% 4,8% 5,4% 4,7% 4,7%
2,587 2,564 2,584 2,590 2,583 2,555 2,586 2,583 2,577 2,555 2,579 2,580
4,0
4,1
3,9
4,0
3,9
4
4,1
3,9
4,2
4,1
4,1
4,1
14,8
16,2
14,6
14,5
14,9
16,7
14,9
14,9
15,8
17,1
15,6
15,6
73,0
74,7
73,4
72,8
73,9
75,7
72,6
73,6
73,7
75,9
73,6
73,7
2,4
1,6
1,7
2,1
2,4
1,7
1,9
2,3
2,0
1,6
2,0
2,3
1,5
1,3
1,6
1,6
1,7
1,5
1,8
1,7
1,8
1,6
1,9
1,9
12,1
13,4
12,0
11,8
12,2
13,9
12,1
12,3
12,7
14,1
12,6
12,8
Tabela 7 - Parâmetros de dosagem das misturas com agregados oriundos da pedreira Jambeiro
Parâmetros
Teor ótimo em peso de asfalto adicionado
(AASHTO R-35)
Absorção de asfalto pelo agregado
(AASHTO R-35)
Densidade máxima da mistura (sem vazios
- Rice)
Teor de vazios de ar (Va %) (AASHTO R35)
Vazios do agregado mineral (VAM %)
(AASHTO M-323)
Vazios cheios de asfalto (VCA %)
(AASHTO M-323)
Resistência a tração por compressão
diametral DNIT ME138 - ASTM C 496
Relação filler / ligante (AASHTO M-323)
Porcentagem de asfalto em volume /
volume total de massa (adicionado)
P13
P14
P15
P16
P17
Misturas
P18 P19 P20
P21
P22
P23
P24
4,6% 5,6% 4,6% 4,7% 4,8% 5,6% 5,1% 5,0% 4,5% 5,3% 4,6% 4,6%
4,3% 5,3% 4,3% 4,4% 4,5% 5,3% 4,8% 4,7% 4,3% 5,0% 4,3% 4,3%
2,461 2,429 2,460 2,455 2,453 2,431 2,442 2,445 2,474 2,450 2,469 2,470
4,3
4,3
4,5
4,6
4,0
4,0
4,4
4,4
3,9
4,1
4,2
4,0
14,3
16,4
14,6 14,9 14,6 16,1 15,6 15,3 13,9 15,6 14,4 14,2
70,2
73,6
69,0 69,1 72,5 75,0 71,6 71,5 72,1 73,8 70,9 71,8
2,0
1,5
1,6
2,0
2,2
1,7
1,7
2,0
2,5
1,7
1,9
2,4
1,7
1,3
1,7
1,6
1,7
1,5
1,6
1,6
2,0
1,7
2,0
2,0
11,2
13,2
11,2 11,4 11,6 13,2 12,4 12,1 11,0 12,6 11,3 11,2
3.4. Moldagem dos Corpos de Prova e Execução dos Ensaios de Fadiga
3.4.1. Fadiga de Velocidade Controlada
Este ensaio possui a grande vantagem de permitir a obtenção de corpos de prova de forma
simples e rápida, pois são utilizadas as dimensões dos corpos de prova Marshall, os quais
podem ser obtidos por meio de todos os compactadores disponíveis e também extraídos do
campo. Para este trabalho, os corpos de prova foram moldados com o uso do compactador
Marshall. Além da facilidade da moldagem, o ensaio de fadiga de velocidade controlada
também é executado de maneira bem mais rápida do que o ensaio de fadiga de quatro pontos.
São moldados 3 corpos de prova de cada mistura, os quais são submetidos à aplicação de
cargas com três velocidades diferentes. O ensaio é realizado na prensa de compressão
diametral, sob temperatura de 25ºC, onde são lidas as cargas de ruptura e deslocamento dos
LVTD’s fixados sobre o CP. Estes dados alimentam o software chamado Fadiga 2.0, que
geram vários dados, tais como o K1 e K2, utilizados no modelo de fadiga e que permitem o
traçado das curvas de fadiga. Cabe destacar que a evolução do ensaio de fadiga de velocidade
controlada ocorre como a do ensaio de resistência à tração, com diferentes velocidades de
aplicação de carga, e não como os ensaios de fadiga de quatro pontos e de compressão
diametral realizado pela COPPE/UFRJ, cujos corpos de prova são submetidos a pulsos de
cargas.
Outro dado de saída do programa é o Nf, valor tal que varia de acordo com a deflexão
esperada do pavimento e que é considerado no programa como um dos dados de entrada.
3.4.2. Fadiga de quatro pontos
A moldagem das vigotas utilizadas para o ensaio de fadiga de quatro pontos requer mais
tempo e mais cuidado do que a de fadiga de velocidade controlada, além da necessidade do
uso de mais equipamentos.
O PReSBOX – IPC foi o compactador utilizado para a moldagem dos corpos de prova para
este ensaio, o qual utiliza o princípio do amassamento e produz prismas de 45cm de
comprimento, 15cm de largura e altura entre 14,5cm e 18,5cm. Estes prismas permitem a
extração de 4 vigotas que são obtidas por serragem utilizando o equipamento Autosaw – IPC,
que possui gabaritos para otimizar o corte, garantindo precisão, repetibilidade das dimensões
das vigotas e rapidez de execução.
O ensaio de fadiga de quatro pontos possui duas normas recentes criadas, AASHTO T321-07
e ASTM D 7460-08, sendo que esta última recomenda o equipamento adquirido pelo CPR
NovaDutra para a realização deste tipo de ensaio. A Figura 4 mostra todos os equipamentos
utilizados para moldagem e execução do ensaio de fadiga de quatro pontos.
a)
b)
c)
Figura 4 - Equipamentos do CPR NovaDutra utilizados na modagem de vigotas e execução de
ensaio de fadiga de quatro pontos. a) PResBOX; b) Autosaw e c) Equipamento de Fadiga
Foram ensaiadas nove vigotas de cada mistura utilizando o princípio da deformação
controlada, cujos valores adotados foram: 300µƐ, 450µƐ e 600µƐ. Embora estas deformações
sejam bem maiores do que as apresentadas em campo, as normas sugerem os ensaios com
deformações entre 200µƐ e 800µƐ. Um dos motivos pode ser o grande tempo de execução do
ensaio quando utilizadas deformações muito pequenas, que dependendo da temperatura
adotada e frequência admitida, o ensaio de uma única vigota pode durar meses.
A temperatura e frequência adotadas para o ensaio também foram as estabelecidas pelas
normas: 20ºC ± -0,5 e frequência de 10Hz, embora se saiba que para as condições brasileiras
estas condições deveriam ser revistas. As normas permitem a variação da frequência entre
5Hz e 10Hz e o equipamento permite essa variação de frequência assim como dispõe de uma
câmara ambiental que permite a variação da temperatura entre -14ºC e 60ºC.
O software utilizado para aquisição de dados foi o UTS015, que é fornecido juntamente com
o equipamento. Um dos dados fornecido é a rigidez à flexão da viga, que é um dado
importante, já que é através dele que se determina a condição de fadiga da viga. Os dados de
deflexão da viga, deformação, energia dissipada, carga aplicada e módulo dinâmico nas
condições de frequência e temperatura do ensaio, também são fornecidos a cada segundo.
4. RESULTADOS
Com os dados gerados pelo programa Fadiga 2.0 foi possível a construção das curvas de
fadiga das misturas. A Figura 5 mostra as curvas de fadiga traçadas considerando as mesmas
deformações adotadas no ensaio de fadiga de quatro pontos, ou seja, 300µƐ, 450µƐ e 600µƐ.
Desta forma foi possível uma comparação com os resultados dos dois métodos.
10000000
Ciclos N
100000
1000
200
Deformação µƐ
P10
P12
P9
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
10.000.000
1.000.000
100.000
10.000
Ciclos N
1E+09
1.000
200
Deformação µƐ
P22
P24
P21
P23
P13
P14
P15
P16
P17
P18
P19
P20
Figura 5 - Curvas de fadiga obtidas por meio do ensaio de velocidade controlada das misturas
produzidas com agregados das pedreiras Pombal (esquerda) e Jambeiro (direita).
As curvas de fadiga das misturas produzidas tanto com os agregados da Jambeiro quanto o da
Pombal mostram que as que se destacaram positivamente foram as produzidas com o CAP
HiMA (P8 e P20) e que os CAP’s com piores desempenho foi o 60/85 (P7) no caso da
Pombal e 30/45 (P19) no caso da Jambeiro. Observa-se também que misturas com agregados
da Pombal obtiveram desempenho superior ao da Jambeiro, o que indica que os agregados
também influenciam na vida de fadiga.
As curvas de vida de fadiga obtidas pelo ensaio de quatro pontos foram traçadas para apenas
quatro misturas asfálticas: P21, P22, P23 e P24. Estas curvas são mostradas na Figura 6 com
seus respectivos modelos de fadiga.
10.000.000
y = 1E+15x-4,088
R² = 0,8229
P21
y = 2E+20x-5,721
R² = 0,8443
P22
y = 7E+14x-4,06
R² = 0,9189
P23
10.000
1.000
y = 1E+22x-6,645
R² = 0,9743
P24
1.000.000
Ciclos N
100.000
200
Deformação µƐ
Figura 6 - Curvas de fadiga e respectivos modelos gerados após ensaios de fadiga de quatro
pontos das misturas P21, P22, P23 e P24.
As curvas de fadiga obtidas por meio do ensaio de quatro pontos mostraram que a mistura
com o asfalto borracha (P22) apresentou comportamento bem superior às outras e que a
mistura com CAP 30/45 (P21) obteve o pior desempenho. A mistura com o CAP 60/85 (P23)
teve comportamento bem parecido com a produzida com o CAP 30/45 (P21). Quanto à
mistura produzida com o CAP HiMA se nota um comportamento curioso, já que para
menores deformações ele tendeu a se aproximar ao comportamento da mistura com borracha e
que com maiores deformações seu comportamento se aproximou aos dos outros ligantes.
A mistura P22 com asfalto borracha é a de maior teor de ligante e, consequentemente, a de
menor relação filler/asfalto, o que contribuiu para um comportamento bem superior aos das
outras misturas. Por conta deste aspecto, foi notada uma certa segregação das misturas P21,
P23 e P24 durante a moldagem das vigotas, fato não percebido na mistura P22.
Rigidez à flexão da
Viga
Na Figura 7 é mostrado um gráfico com a média dos valores de rigidez à flexão das misturas
P21, P22, P23 e P24. O que permite visualizar que as misturas com CAP30/45 (P21) é a mais
rígida e que a mistura com a borracha (P22) é a mais flexível, o que ajuda a explicar seu
melhor comportamento à fadiga.
15000
P21
10000
5000
P22
12654
5729
9210
10478
P23
P24
0
Figura 7 - Média da rigidez à flexão a 20°C e 10Hz.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Não se identificou uma relação direta entre os resultados do ensaio de fadiga de velocidade
controlada e o ensaio de fadiga de quatro pontos. Os diferentes modos de compactação,
temperatura, modo de aplicação da carga e a garantia de flexão pura no ensaio de fadiga de
quatro pontos podem ser fatores que influenciaram nesta diferença.
Os resultados dos ensaios de fadiga de quatro pontos mostraram que o tipo de ligante e o teor
influenciam diretamente na vida de fadiga, pois ajuda a tornar a mistura mais flexível. A
rigidez a flexão da mistura com CAP 30/45, o qual obteve o pior desempenho a fadiga, é mais
que o dobro da rigidez da mistura com asfalto borracha, o que também indica que para
alcançar a mesma deformação, cargas maiores foram aplicadas na mistura com CAP30/45.
Para uma definição da melhor mistura a ser aplicada, ensaios de deformação permanente
devem ser realizados, assim como ensaio de fadiga em diferentes temperatura e frequências.
As misturas com agregados da pedreira Pombal tiveram desempenho melhor que o da mistura
com agregados da Jambeiro quando analisada a fadiga de velocidade controlada. Vários
fatores podem ter contribuído para este resultado, como a composição química do agregado,
assim como a forma dos agregados que auxilia a um melhor intertravamento dos grãos. Neste
tipo de ensaio as misturas com asfalto HiMA obtiveram os melhores desempenhos
independente da origem dos agregados.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ADHIKARI, S.; YOU, Z. Fatigue Evaluation of Asphalt Pavement using Beam Fatigue Apparatus, The
Technology Interface Journal, Volume 10, Nº3, ISSN # 1523-9926, Spring 2010.
MEDINA, J.; MOTTA, L.M.G. Mecânica dos Pavimentos. 2. ed. Rio de Janeiro, RJ, 2005.
PRONK, A. C. Collaborative study with 4BP device in Europe. “Round Robin test with three reference beams”.
Preliminary Results. 2º Workshop on Four Bending Point, University of Minho, ISBN 978-972-8692-421, 2009.
RODRIGUES, R.M. Estudo do Trincamento dos Pavimentos. 1991. Tese (Doutorado) - Coordenação dos
Programas de Pós-graduação de Engenharia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro,
1991.
ROMANOSCHI, S. A.; DUMITRU, N. I.; DUMITRU, O. Resilient Modulus and The Fatigue Properties of
Kansas Hot Mix Asphalt Mixes. Kansas Department of Transportation. Report N° K-Tran: KSU-02-6,
August 2006.
WAY, G.B.; KALOUSH, K. E.; SOUZA, J. M.; et al. Arizona’s 15 Years of Experience Using the Four Bending
Beam Test. 2º Workshop on Four Bending Point, University of Minho, ISBN 978-972-8692-42-1, 2009