CARLOS FERNANDO QUINTERO, Eng., Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil -

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1 ESTABILIDADE E FLUÊNCIA DE MISTURAS ASFÁLTICAS COM LIGANTES DE ELEVADA CONSISTÊNCIA (STABILITY AND FLOW OF ASPHALTIC MIXTURES WITH HIGH CONSISTENCY ASPHALTS) CARLOS FERNANDO QUINTERO, Eng., Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil - civ_carlos@hotmail.com LETO MOMM, Dr., Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil - leto.momm@gmail.com YADER ALFONSO GUERRERO, Msc., Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil - yagcivil@hotmail.com RESUMO O trabalho discorre sobre a pesquisa da estabilidade de misturas de concreto asfáltico com ligante de elevada consistência. Os materiais usados são granulares de origem de granito proveniente do Município Palhoça, ligantes CAP 30/45 e Resíduo de Vácuo de penetração 10x10-1 mm, fornecido pelas refinarias REPLAN e REPAR. As curvas granulométricas utilizadas são as referentes a misturas de módulo elevado (EME 2) com teor de finos passando na peneira 0,075mm igual a 7%, e misturas grave bitume (GB) com teor de finos em 5% passando na peneira 0,075mm. As misturas foram preparadas de acordo com a metodologia Marshall. As temperaturas de mistura e de compactação foram determinadas nas curvas de viscosidade no ensaio Saybolt-Furol. Foram pesquisados os concretos asfálticos com teores de betume variando em valores 0,2% em relação ao valor calculado em função do módulo de riqueza, considerando a superfície específica do granular e densidade do granular, moldando 5 corpos de prova para cada teor de ligante. A determinação da estabilidade e fluência foi medida após a imersão na água a 60 C. Na ruptura foi utilizado um sistema de aquisição de dados para melhorar a precisão do ensaio. A comparação dos valores obtidos é apresentada, nos gráficos de estabilidade e fluência para a mistura GB e EME, revelando que os ligantes com maior consistência apresentam valores mais elevados de estabilidade. PALAVRAS-CHAVE: Estabilidade, ligante de elevada consistência, concreto asfáltico. ABSTRACT This paper discusses the research of stability of asphalt concrete mixtures with high consistency asphalt. The materials used are aggregate with granitic origin from Palhoça municipality; S.C. Brazil, CAP 30/45 asphalt and Vacuum Residue with a penetration 10x10-1mm, supplied by the refinery REPLAN and REPAR. The granulometric curves used in this study are those relating the mixtures of high modulus (EME2), with percentage passing the mm sieve equal to 7% and grave-bitume (GB), with percentage passing at mm sieve 5%. The mixtures were prepared in accordance with the Marshall methodology. The temperature of mixing and compaction were measured in the viscosity curves with the Saybolt-Furol test. The Asphaltic mixtures were examined

2 with amounts of bitumen with varying values of 0.2% relative to the calculated value based on the richness modules, considering the specific surface of aggregate and density of aggregate, preparing 5 specimens for each asphalt content. The determination of stability and flow was measured after immersion in water at 60 C. In the rupture was used a data acquisition system to improve the accuracy of the test. The comparison the obtained values is presented in the graphs of stability and flow for asphaltic mixtures GB and EME, revealing that the bitumen with a greater consistency shows higher values of stability. KEY WORDS: Stability, asphalt high consistency, Asphalt Concrete.

3 INTRODUÇÃO Entre as metodologias de dosagem de misturas asfálticas podem-se enumerar três: a metodologia Marshall classificada como empírica, a metodologia Superpave e a metodologia Francesa. A metodologia Francesa considera o desempenho da mistura através de ensaios seletivos para as composições estudadas; nesta concepção a formulação da mistura inicia-se pela verificação da habilidade à compacidade de uma ou de várias fórmulas em função da composição granulométrica, quantidade de fíler, tamanho máximo do granular e teor de ligante, através do ensaio de compactação por cisalhamento giratório, em seguida para as misturas que cumpram requisitos mínimos de compacidade, testa-se a sensibilidade à água no ensaio Duriez, a deformação permanente, o módulo complexo e a resistência à fadiga das misturas. A metodologia Francesa de formulação de misturas asfálticas procura através dos ensaios de formulação chegar a uma composição e teor de ligante que satisfaça as condições mecânicas do material, tendo um comportamento bem definido em função do tipo de material formulado, onde os parâmetros medidos, experimentalmente, no ensaio de módulo complexo e resistência à fadiga são utilizados de maneira direta no dimensionamento racional do pavimento. Através da metodologia Marshall, procura-se o teor de ligante ótimo para uma composição granulométrica. Neste ensaio avalia-se a estabilidade do esqueleto granular, a fluência, o volume de vazios, a relação betume/vazios, e densidade máxima, existindo diversos critérios para o estabelecimento do teor de ligante ótimo sob esta concepção. Cada tipo de mistura comporta-se em função das características procuradas, seja como misturas asfálticas para camada de superfície, assegurando segurança, conforto e aderência ou como misturas para camadas estruturais garantindo a resistência mecânica do pavimento ante as solicitações dinâmicas do tráfego. Na metodologia Francesa de formulação podem-se distinguir dois tipos de misturas para camadas estruturais do pavimento, as misturas de módulo elevado, e as misturas grave-bitume. As características mecânicas das misturas de módulo elevado, (deformação permanente, módulo complexo, e resistência à fadiga), são superiores às características das misturas grave-bitume, bem como o conteúdo de ligante, isto obedece a parâmetros de formulação da mistura e nível de trafego para o qual as misturas são projetadas. Nas misturas de módulo elevado distinguisse dois grupos classe 1 e 2 com módulo de riqueza mínimo de 2,5 e 3,4 respectivamente, com volume de vazios inferior a 6% para a mistura EME classe 2. As misturas de módulo elevado classe 2 denominada EME 2 na França tem a função de camada de estrutura do pavimento, apresentando características elevadas tanto de módulo complexo como de resistência à fadiga. Com módulo acima de 14000MPa a 15ºC e 10Hz e resistência à fadiga acima de 130 µdef. O ligante utilizado é geralmente CAP 10/25. Outro tipo de mistura utilizada na França para camadas de base são as misturas grave-bitume, que poderia ser interpretado como uma brita estabilizada pelo baixo conteúdo de ligante. Existem 4 classes de misturas diferenciadas pelo volume de vazios, teor de ligante e características mecânicas.

4 Estas misturas são formuladas geralmente com ligante de penetração CAP 30/45. O conteúdo de ligante é função do módulo de riqueza sendo 2, 2,5, 2,8 e 2,9 para as classes 1 até 4. A mistura grave-bitume classe 3 apresenta módulos acima de 9000MPa a 15ºC e 10Hz, resistência à fadiga de 90 µdef e volume de vazios inferior a 10%. Esses são parâmetros de formulação da mistura, já que no dimensionamento são utilizados os valores medidos experimentalmente, sendo um dimensionamento racional do pavimento. A quantidade de ligante mínimo depende da espessura do filme de ligante, da superfície especifica dos agregados, e densidade dos granulares. O módulo de riqueza é um parâmetro fixado que depende do tipo de mistura a serem formuladas. As normas de formulação de misturas Francesas fixam valores do módulo de riqueza em função do tipo e classe de mistura, porém estes valores só são indicativos do teor de ligante de partida, sendo necessário verificar valores próximos a este em ensaios. Para ligante de maior consistência, maior deve ser o teor de ligante necessário, porém, isto não se deve a parâmetros da dosagem, mas sim às características mecânicas mínimas desejadas das misturas formuladas em relação à resistência fadiga e módulo. A vantagem na utilização de ligante de elevada consistência é projetar pavimentos mais duradouros, especialmente em rodovias de trafego pesado ou temperaturas elevadas. A quantidade de ligante mínima deve ser tal que garanta a resistência à fadiga sem afetar a deformação permanente do material. METODOLOGIA Inicialmente, procedeu-se a determinação das características dos agregados e ligantes utilizados. Os granulares utilizados são de uma suíte intrusiva de granito no Município de Palhoça, pedreira Santa Bárbara - Santa Catarina. As curvas granulométricas são apresentadas na figura 1. Os ligantes utilizados foram fornecidos pelas refinarias REPAR e REPLAN. Figura 1. Curvas granulométricas A definição da curva granulométrica foi realizada com a equação de FULLER, para uma granulometria contínua, equação 1.

5 %p = percentagem em peso que passa na peneira de abertura d; a = constante, tomada igual a 100; d = abertura da peneira (mm); D = tamanho máximo, abertura da peneira que passa 100%, (mm); n = expoente. Os valores do expoente n da curva foram calculados para cada mistura, fixando o tamanho máximo em 15,9mm e o percentual de material passante na peneira nº200 em 7% para a mistura EME e em 5% para a mistura GB. A diferença de material passante na peneira 200 para a mistura GB foi com o propósito de ter menor consumo de ligante, e mistura mais aberta para camadas de base. Os valores de n correspondentes das curvas granulométricas foram n = 0,50 para a mistura EME e n = 0,56 para a mistura GB. O teor de ligante inicial foi determinado em função do módulo de riqueza, superfície específica dos agregados pelas equações (2) a (4), e massa volumétrica real dos granulares, para cada tipo de mistura testando valores desde 4,1% até 4,9% para a mistura GB e 5,1% até 5,9%, para a mistura EME, com incrementos de 0,2%, tabela 1. (1) (2) (3) ; (4) = Superfície específica (m 2 /kg). ; ;

6 Tabela 1. Teores de ligante mínimos e ensaiados. Mistura EME 2 Mistura GB 3 Módulo de riqueza mínimo (K) = 3,4 e Teor de Ligante interno mínimo = 5,07% Módulo de riqueza mínimo (K) = 2,8 e Teor de Ligante interno mínimo = 4,0% K 3,42 3,56 3,70 3,84 3,99 K 2,87 3,02 3,17 3,32 3,46 TLinterno 5,10% 5,30% 5,50% 5,70% 5,90% TLinterno 4,10% 4,30% 4,50% 4,70% 4,90% As temperaturas de usinagem e de compactação foram determinadas em função das viscosidades do ligante. As curvas de viscosidade para os ligantes são apresentadas na figura 2, e as temperaturas de usinagem e compactação na tabela 2. Figura 2. Curvas de viscosidade do ligante 30/45 e Resíduo de Vácuo (RV) Tabela 2. Temperatura de mistura e compactação Ligante Resíduo de Vácuo CAP 30/45 Agregados aquecidos 185ºC 175 ºC Ligante aquecido 175 ºC 165 ºC Mistura 175 ºC 165 ºC Compactação 165 ºC 155 ºC Por cada mistura, foram moldados 25 corpos de prova, 5 por cada teor de ligante. Após a usinagem dos corpos de prova à temperatura especificada, a mistura foi mantida na estufa por um período de duas horas, sendo compactadas num compactador Marshall automático com 75 golpes por cada face. A desmoldagem ocorreu após 24 horas de repouso. A figura 3 mostra os corpos de prova Marshall moldados.

7 Figura 3. Corpos de prova Marshall para a mistura de módulo elevado e grave-bitume. A ruptura dos corpos de prova foi realizada numa prensa Marshall, com prévio condicionamento dos corpos de prova na água durante 40 minutos à temperatura de 60 C. A leitura da carga foi realizada com célula de carga de 50 kn de capacidade, a leitura de deslocamento foi realizada com LVDT de 50mm de comprimento, com tempos de aquisição a cada 0,02s. Adicionalmente foi verificada a habilidade à compacidade das misturas na prensa de compactação por cisalhamento giratório, no laboratório de pavimentação da Escola Politécnica de São Paulo, avaliando a evolução do volume de vazios das misturas com o número de giros, para a mistura de módulo elevado foi verificado o volume de vazios nos 80 giros fosse inferior a 6% e para a mistura grave-bitume nos 100 giros inferior a 10%. RESULTADOS A metodologia Marshall estabelece diretrizes para a determinação do teor de ligante de misturas asfálticas densas em função da estabilidade, fluência, densidades, volume de vazios e relações betume/vazios, porém o método tem algumas limitações em quanto à utilização do tipo de misturas, ainda assim é um método útil na determinação do teor de ligante. Para a mistura grave-bitume uns dos critérios de formulação de misturas é volume de vazios abaixo de 10%, que conseqüentemente apresentará uma relação de betume/vazios baixa com um conteúdo de ligante reduzido. Para as de misturas de módulo elevado o volume de vazios deve ser inferior a 6%, apresentando valores de estabilidade elevados em relação às misturas com ligantes convencionais devido à elevada consistência do ligante. Nas figuras 4 a 8, os resultados do ensaio Marshall são apresentados para os dois tipos de misturas ensaiadas grave-bitume e de módulo elevado e os limites correspondentes á dosagem Marshall.

8 Figura 4. Densidade corpo de prova Marshall para a mistura grave-bitume e de módulo elevado Figura 5. Estabilidade corpos de prova Marshall para a mistura grave-bitume e de módulo elevado Figura 6. Fluência corpos de prova Marshall para a mistura grave-bitume e de módulo elevado.

9 Figura 7. Volume de vazios corpos de prova Marshall para a mistura grave-bitume e de módulo elevado Figura 8. Relação betume/vazios corpos de prova Marshall para a mistura grave-bitume e de módulo elevado Na tabela 3 e 4, é resumido os valores médios do ensaio Marshall para as misturas formuladas. Tabela 3. Valores médios do ensaio Marshall, mistura grave-bitume. Teor de ligante Densidade (kn/m 3 ) % Vazios Estabilidade (kn) Fluência (mm) RBV % 4,1 22,78 11,2 9,82 4,30 45,28 4,3 23,05 9,8 9,86 3,72 49,43 4,5 23,18 9,0 10,00 4,52 53,18 4,7 23,20 8,6 9,92 4,64 54,62 4,9 23,13 8,7 9,02 4,67 55,35

10 Tabela 4. Valores médios do ensaio Marshall, mistura de módulo elevado. Teor de ligante Densidade (kn/m 3 ) % Vazios Estabilidade (kn) Fluência (mm) RBV % 5,1 23,78 6,0 18,83 4,65 66,68 5,3 23,93 5,1 19,59 5,17 71,32 5,5 23,92 4,8 17,16 4,76 73,24 5,7 24,02 4,1 16,40 5,54 75,80 5,9 24,03 3,8 15,37 6,21 78,95 Nos ensaios de compactação por cisalhamento giratório foi avaliada a habilidade à compacidade das misturas asfálticas em função da composição granulométrica e teores de ligantes de 4,1% até 4,9% para a mistura grave bitume, e de 5,1% até 5,9% para a mistura de módulo elevado. Para a mistura grave-bitume a partir do teor de ligante 4,3% encontrou se valores de volume de vazios inferior a 10% nos 100 giros. O objetivo desta mistura é, com o mínimo teor de ligante garantir parâmetros de deformação permanente nos ciclos abaixo de 10%, módulo complexo medido a 15 C e 10Hz superior a 9000MPa, e resistência a deformação à fadiga superior a 90µdef. Foi definindo como teor de ligante a ser levado a outros níveis de formulação da mistura o valore de 4,5% de ligante e volume de vazios correspondente de 8,5%. Para a mistura de módulo elevado no teor de ligante de 5,9%, constatou se um excesso de ligante com volume de vazios de 3.0%, porém devido à elevada rigidez do ligante precisa-se de uma maior quantidade para garantir a resistência à fadiga. Definiu se como teor de ligante a ser levado a outros níveis de formulação 5,7% de ligante, com um volume de vazios nos 80 giros no ensaio de compactação por cisalhamento giratório igual a 3,6%. CONCLUSÕES A dosagem Marshall orienta à seleção de um teor no qual a mistura poderia atingir as características desejadas, porem devido a suas limitações foi avaliada a habilidade a compacidade das misturas com o propósito de testar as composições granulométricas e teores de ligante para os dois tipos de misturas, grave-bitume e módulo elevado. Para a mistura de módulo elevado através do ensaio de compactação por cisalhamento giratório definiu se como teor de ligante a ser levada a outros níveis de formulação a mistura correspondente a 5,7% de ligante e para a mistura grave-bitume o teor de ligante de 4,5%. Para os teores de ligante definidos no ensaio de compactação por cisalhamento giratório, revisou se os valores de estabilidade, fluência, relação betume/vazios do ensaio marshall. Na figura 5, a estabilidade da mistura com teor de ligante de 4,5% para a mistura grave-bitume, ficou em torno de 10 kn, e para a mistura de módulo elevado com teor de ligante de 5,7% apresentou uma estabilidade de 16,4 kn, estes valores estão dentro dos limites estabelecidos de 5 kn. Teoricamente valores muito altos de estabilidade podem ocasionar problemas no comportamento da mistura, porém deve-se verificar o propósito e tipo de mistura, no caso de misturas de módulo elevado é de se esperar valores elevados devido à elevada consistência do ligante. Na figura 6, a fluência das misturas ensaiadas não ficou nos limites estabelecidos tanto para a mistura de módulo elevado como a mistura grave-bitume, com valores de 4,52mm e 5,54mm. Em

11 relação ao volume de vazios na figura 7, a mistura grave-bitume, por fatores de formulação, apresenta valores elevados para o teor de ligante de 4,5% no ensaio de compactação por cisalhamento giratório igual a 8,2% e no ensaio de Marshall de 9,0%. Estas misturas são comumente mais abertas com volume de vazios maior e colocadas nas camadas de base permitem resistir adequadamente às tensões impostas. A mistura de módulo elevado apresentou valores de volume de vazios no ensaio Marshall para o teor de ligante de 5,7% de 4,1% valor aceitável dentro do tipo de misturas densas por esta metodologia. A relação da betume/vazios na figura 8, com teor de ligante 4,5% para a mistura grave-bitume foi baixo 53,18%, porém este valor deve-se ao elevado volume de vazios da mistura, propósito da função da camada no campo e parâmetros de formulação, sendo necessário levar estas formulas aos outros níveis de formulação de deformação permanente, sensibilidade à água, módulo complexo e resistência à fadiga. AGRADECIMENTOS Ao Laboratório de pavimentação da Escola Politécnica de São Paulo. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AFNOR NF P Enrobés Hydrocarbonés: Couches de assises, Enrobés à module élevé. Association Française de Normalisation, AFNOR AFNOR NF P Enrobés Hydrocarbonés: Couches de assises, graves bitume. Association Française de Normalisation, AFNOR DNER-ME 43/95 Misturas Betuminosas a Quente: Ensaio Marshall. Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. Rio de Janeiro (RJ) MANUEL LPC. Manuel LPC d aide à la formulation des enrobés. Groupe de Travail RST Formulation des enrobés. Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. Paris, France