Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Misturas Betuminosas para Camadas de Pavimentos Rodoviários Características Fundamentais das Misturas Betuminosas • Estabilidade • Durabilidade • Flexibilidade • Resistência à fadiga • Aderência • Impermeabilidade • Trabalhabilidade 1 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil • Estabilidade o Capacidade para resistir às deformações permanentes produzidas pelas cargas, em determinadas condições de aplicação. o Cargas lentas, temperaturas elevadas: principal contribuição é devida à composição do agregado. o Cargas rápidas, temperaturas reduzidas: alguma contribuição do betume. o Resistência depende essencialmente da fricção interna dos materiais (granulometria dos agregados, da forma das partículas, da densidade da mistura e da quantidade e tipo de betume) e da sua coesão. • Durabilidade o Resistência à desagregação causada pelas solicitações climáticas e pelo tráfego – resistência ao envelhecimento (resistência ao fendilhamento a baixas temperaturas). o Maior quantidade de betume, maior durabilidade da mistura. o Materiais de granulometria contínua, bem compactados (misturas impermeáveis). 2 Carlos Palha, 2008 1 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil • Flexibilidade o Capacidade para se adaptar gradualmente aos movimentos do seu suporte. o Aumento da percentagem de betume; forma arredondada da fracção arenosa do agregado. o Utilização de agregados de granulometria relativamente aberta. • Resistência à fadiga o Passagem repetida de veículos – extensões de tracção nos materiais ligados o Misturas densas têm um melhor desempenho que as abertas. o Materiais bem graduados: utilização de elevadas % de betume. • Aderência o Não utilizar betume em excesso. o Agregados com textura superficial rugosa: maior micro-rugosidade. o Macrotextura elevada: maior segurança com chuva. 3 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil • Impermeabilidade o Resistência à passagem da água e do ar através das camadas do pavimento – durabilidade da mistura. o Reduzir a interligação dos vazios e o seu contacto com a superfície do pavimento. • Trabalhabilidade o Facilidade de aplicação e compactação da mistura. o Procura de maior estabilidade, por vezes dificulta a trabalhabilidade. o Respeito pelas regras de operação dos equipamentos e a correcta formulação da mistura. 4 Carlos Palha, 2008 2 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Características Físicas das Misturas Betuminosas Volumes Massas Ar Mv≈0 Vv Vv VMA Vb Vb Betume Va Mb Vt Mt Va Agregado • Ma - massa de material agregado (g) • Mb - massa de betume (g) • Mv - massa dos vazios (desprezável) • Mt - massa total (g) Ma •Va - volume de material agregado (cm3) •Vb - volume de betume (cm3) •Vv - volume de vazios (cm3) •Vt - volume total (cm3) 5 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Relações entre massas ou volumes nas misturas betuminosas (indicação da durabilidade e desempenho) Vazios da mistura de agregados (porosidade sem betume) VMA = Vb + Vv Compacidade da mistura = Va + Vb • Massa Volúmica ρs = Ma Va • Teor em Betume (relação em massa) t b = 100 x • Percentagem de Betume p b = 100 x M M b a Mb Mt • Grau de saturação em betume (Sbt) – proporção de VMA ocupados pelo betume Vb Vb S bt = x 100 = x 100 Vv + Vb VMA • Porosidade (% de vazios da mistura) n= ρ max − ρ t x100 ρ max 6 Carlos Palha, 2008 3 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas - Método de Marshall • Características físicas exigíveis aos agregados. • Definição da curva granulométrica (fuso especificado pelos cadernos de encargos) • Obtenção do material pretendido: misturar várias fracções de agregado, finos e grossos, produzindo um material que respeite as especificações. • Problema a resolver: quais as proporções deve entrar cada uma das fracções, de modo a obter uma curva com um andamento próximo da curva de referência (curva média do fuso especificado). • Estabelecer tantas equações quantas as fracções granulométricas a usar, impondo-se condições em diversos diâmetros, “di”, pré-seleccionados: • P (d) = p1 A + p2 B+ ... + pi Agi onde, P(d): percentagem de material que passa no peneiro considerado para a combinação de agregados A, B, ..., Agi; A, B, ..., Agi: percentagem de material passado no peneiro considerado para os agregados A, B, ..., Agi; p1, p2, ..., pi: proporções dos agregados, A, B, ..., Agi, usadas na mistura e cuja soma é igual à unidade (soluções procuradas). 7 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Formulação baseada no método de marshall Quadro resumo com as características que a mistura a formular deve ter. Característica Valor especificado Max. Dim dos agregados 10 mm ou 14mm Teor em betume 5% a 6% Porosidade 4%a 6% VMA Relação ponderal filer/betume Numero de pancadas em cada face Força de rotura Deformação máxima Resistência conservada, mínima ≥ 14% 1.1 a 1.5 75 8000 a 15000 N 4 mm 75% 8 Carlos Palha, 2008 4 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) 9 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) 10 Carlos Palha, 2008 5 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) 11 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Marshall 12 Carlos Palha, 2008 6 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Marshall 13 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Marshall Após determinação do teor teórico (baseado na superfície específica dos agregados), devem ser confeccionadas 2 amassaduras abaixo do teor teórico, duas acima e uma com o teor teórico, todas elas com um 0.5% de diferença em termos de teor em betume entre elas Procedimentos Agregados Betume 14 Carlos Palha, 2008 7 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Marshall - Procedimentos Video mistura Video compactação 15 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Marshall - Procedimentos 16 Carlos Palha, 2008 8 Misturas Betuminosas Agregados Departamento de Engenharia Civil Universidade do Minho Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Determinação das características volumétricas das misturas Determinação da Baridade Máxima Teórica (BMT) – Procedimento A da EN 12697-5 Onde: m1 – peso do picnómetro m2 – peso do picnómetro com amostra m3 – peso do picnómetro com amostra e cheio de água Vp – volume do picnómetro ρw – densidade da água 17 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Determinação das características volumétricas das misturas (EN 12697-8) Determinação da Baridade Máxima Teórica (BMT) – Procedimento A da EN 12697-5 18 Carlos Palha, 2008 9 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Determinação das características volumétricas das misturas (EN 12697-8) Determinação da Baridade Aparente – EN 12697-6 Método A: Baridade – a seco a) Determinar a massa do provete seco (m1). No caso do ensaio de provetes húmidos, a etapa a) deverá ser efectuada após as etapas b) a d). b) Determinar a massa volúmica da água à temperatura de ensaio com aproximação a 0,1kg/m3 (ρw). c) Imergir o provete no banho de água a uma temperatura de ensaio conhecida. d) Determinar a massa do provete, imediatamente após a água ter estabilizado após imersão (m2). ρ bdry = m1 xρ w m1 − m2 é a baridade a seco, em quilogramas por metro cúbico (kg/m3); m1 é a massa do provete seco, em gramas (g); m2 é a massa do provete em água, em gramas (g); ρw é a massa volúmica da água à temperatura de ensaio, em quilogramas por metro cúbico (kg/m3), com aproximação a 0,1 kg/m3. 19 Carlos Palha, 2008 ρ bssd Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Determinação das características volumétricas das misturas (EN 12697-8) Determinação da Baridade Aparente – EN 12697-6 Método B: Baridade – provete saturado com a superfície seca (SSD) a) Determinar a massa do provete seco (m1). No caso do ensaio de provetes húmidos, a etapa a) deverá ser efectuada após as etapas b) a f). b) Determinar a massa volúmica da água à temperatura de ensaio com aproximação a 0,1kg/m3 (ρw), de acordo com o Quadro 1. c) Imergir o provete no banho de água a uma temperatura de ensaio conhecida. Deixar a água saturar o provete durante um período de tempo suficiente até a massa do provete não sofrer alteração. NOTA Geralmente, o período de saturação é de pelo menos 30 min. d) Determinar a massa do provete saturado quando imerso (m2), tomando as precauções necessárias para evitar que bolhas de ar adiram à superfície do provete ou deixem o provete durante a pesagem. e) Remover o provete da água e secar as gotas da superfície com uma camurça húmida. f) Se o provete ainda drenar água do seu interior, adoptar o Método C (provete selado) g) Determinar, através de pesagem ao ar, a massa do provete saturado com a superfície seca imediatamente após a secagem (m3). ρ bssd = em que: m1 xρ w m3 − m2 ρbssd é a massa volúmica (SSD), em quilogramas por metro cúbico (kg/m3); m1 é a massa do provete seco, em gramas (g); m2 é a massa do provete em água, em gramas (g); m3 é a massa do provete saturado com a superfície seca, em gramas (g); ρw é a massa volúmica da água à temperatura de ensaio, em quilogramas por metro cúbico (kg/m3), com aproximação a 0,1 kg/m3. 20 Carlos Palha, 2008 10 ρ bssd Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Determinação das características volumétricas das misturas (EN 12697-8) Determinação da Baridade Aparente – EN 12697-6 Método C: Baridade –provete selado Determinar a massa do provete seco (m1). Determinar a massa volúmica da água à temperatura de ensaio com aproximação a 0,1kg/m3 (ρw), de acordo com o Quadro 1. Selar o provete de forma a que os vazios internos do provete que fazem parte da sua composição volumétrica não sejam preenchidos e que não surjam vazios adicionais entre o selante e o provete ou nos vincos do selante. Após este procedimento, o provete deve ficar inacessível à água quando submerso. Determinar a massa do provete seco e selado (m2). Mergulhar o provete no banho de água mantido à temperatura de ensaio conhecida. Determinar a massa do provete selado imerso em água (m3), tomando as precauções necessárias para evitar a adesão de bolhas de ar ao selante durante a pesagem. ρ bsea = m1 (m2 − m3 ) / ρ⋅w − (m2 − m1 ) / ρ sm ρ 3 bsea é a baridade do provete selado, em quilogramas por metro cúbico (kg/m ); m1 é a massa do provete seco, em gramas (g); m2 é a massa do provete selado seco, em gramas (g); m3 é a massa do provete selado em água, em gramas (g); ρw é a massa volúmica da água à temperatura de ensaio, em quilogramas por metro cúbico (kg/m3), com aproximação a 0,1 kg/m3. ρsm é a massa volúmica do material selante à temperatura de ensaio, expressa em quilogramas por metro cúbico (kg/m3) com aproximação a 10 kg/m3. 21 Carlos Palha, 2008 ρ bssd Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Determinação das características volumétricas das misturas (EN 12697-8) Determinação da Baridade Aparente – EN 12697-6 22 Carlos Palha, 2008 11 ρ bssd Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Formulação de Misturas Betuminosas – EN 13108-1 (Anexo Nacional) Determinação do índice de sensibilidade à água – EN 12697-12 - Procedimentos ITSR = ITS w ×100 ITSd Legenda: 1 – Prato superior 2 – Apoios em aço 3 – Provete F – Aplicação da força Esquema do ensaio para determinação da resistência à tracção indirecta 23 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Determinação do índice de sensibilidade à água – EN 12697-12 O ensaio 68 a 72 hrs em agua a 40ºC Dispositivo de tracção indirecta 2 hrs em agua a 15ºC Tipos de rotura 50mm/mint 24 Carlos Palha, 2008 12 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Resistência às deformações permanentes (Wheel Tracking) – EN 12697-22 Procedimento F Força aplicada na roda Provete/amostra Oscilação da mesa Mesa sobre carris 1.8 Deformação permanente (mm).. Roda de borracha BB 0/14 1.6 SMA 0/11 1.4 MBR-BB 0/12 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Número de ciclos Esquema do ensaio para determinação da resistência à deformação permanente Resultados de ensaios a 3 misturas diferentes 25 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Resistência às deformações permanentes (Wheel Tracking) – EN 12697-22 O ensaio Vídeo Vídeo2 WTT UM 26 Carlos Palha, 2008 13 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Determinação do módulo de deformabilidade em misturas betuminosas – EN 12697-26 Lei de Hook σ= σ = E ×ε σ E= ε F Area ε= l L Alguns esquemas de ensaio possíveis em materiais betuminosos 27 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Determinação do módulo de deformabilidade em misturas betuminosas – EN 12697-26 Variação do módulo com a freqência Relação tensão/extensão e ângulo de fase Módulo de rigidez (MPa) 7000 BB 0/14 6000 SMA 0/11 5000 MBR-BB 0/12 4000 3000 2000 1000 0 0.1 1 10 Frequência (Hz) 4PBT; 8Hz e 20ºC (NP EN 13108-20) Módulo rigidez (MPa) 15000 Variação do módulo com a temperatura BB 0/14 13000 SMA 0/11 11000 MBR-BB 0/12 9000 7000 5000 3000 1000 0 Carlos Palha, 2008 10 20 28 30 Temperatura (ºC) 14 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Determinação da vida à fadiga em misturas betuminosas, pelo método de flexão em 4 pontos – EN 12697-24 18 vigas 10 Hz 3 níveis de extensão fadiga ente 1E4 e 2E6 ciclos 29 Carlos Palha, 2008 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Determinação da vida à fadiga em misturas betuminosas, pelo método de flexão em 4 pontos – EN 12697-24 (II) 30 Carlos Palha, 2008 15 Misturas Betuminosas Agregados Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil Determinação da vida à fadiga em misturas betuminosas, pelo método de flexão em 4 pontos – EN 12697-24 (III) 1000 BB 0/14 Einicial 6000 5000 4000 E50% 3000 2000 SMA 0/11 Extensão de tracção (E-6) Módulo de deformabilidade (MPa) 7000 -0.1796 εt = 2730.9 × N MBR-BB 0/12 2 R = 0.949 -0.2068 εt = 3649.3 × N 2 R = 0.983 -0.1961 εt = 2449.0 × N 2 R = 0.924 1000 Vida à Fadiga 100 0 1 10 100 1000 Nº de ciclos 10000 100000 1000000 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 Número de ciclos 31 Carlos Palha, 2008 16
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