Dosagem de Concreto Compactado com Rolo Visando sua Aplicação em Bases e Sub-bases de Pavimentos

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1 Dosagem de Concreto Compactado com Rolo Visando sua Aplicação em Bases e Sub-bases de Pavimentos William Fedrigo Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, williamfedrigo@hotmail.com Francisco Dalla Rosa Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, dallarosa@upf.br Washington Peres Núñez Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, wpnunez@superig.com.br RESUMO: A crescente demanda das rodovias do país está proporcionando um consequente aumento na degradação das estruturas dos atuais pavimentos, fazendo-se necessário o uso de estruturas mais robustas na pavimentação com o intuito de compatibilizar a vida útil com as solicitações impostas. Neste caso, a utilização de camadas tratadas com cimento ou concreto compactado com rolo apresentam um melhor desempenho quando comparado a soluções convencionalmente empregadas. Seguindo este raciocínio, na presente pesquisa buscou-se uma dosagem de concreto compactado com rolo para ser utilizado como base ou sub-base de pavimentos, avaliando a influência na resistência de diferentes combinações de duas variáveis da mistura: energia de compactação e quantidade de cimento. Foram utilizados dois teores de cimento e duas energias de compactação visando atingir uma resistência mínima. Os teores de cimento utilizados nas misturas representam um consumo de 80 kg/m³ e 200 kg/m³. As energias de compactação foram equivalentes às energias dos ensaios de Proctor normal e modificado. O cimento utilizado foi o CP-V ARI e como agregados foram utilizados: pedra britada (nº 0 ½ e nº 1 ¾ ) e areia artificial, todas de rocha basáltica, além de areia natural de leito de rio. Primeiramente, foi realizada a caracterização dos agregados. Em seguida, foi realizada a dosagem do CCR através de ensaios de compactação e de faixas granulométricas limites. Posteriormente, foram realizados ensaios de compressão simples e tração por compressão diametral. O estudo ainda apresenta uma comparação entre duas estruturas de pavimentos, uma dimensionada com base de brita graduada simples e outra com base de CCR. Os resultados indicaram a relevância dos efeitos do teor de cimento e da energia de compactação nas misturas de CCR. Assim, é dever do engenheiro escolher a melhor combinação entre as duas variáveis, dependendo das mais diversas situações. PALAVRAS-CHAVE: Concreto compactado com rolo, Base, Sub-base. 1 INTRODUÇÃO Atualmente, a crescente demanda das rodovias do país vem ocasionando a degradação das estruturas de seus pavimentos. Desta forma, este aumento tem propiciado cada vez mais a execução de pavimentos com estruturas mais robustas, com o objetivo de compatibilizar a sua vida útil com as solicitações impostas. A execução de pavimentos mais robustos demanda da utilização de materiais com desempenho diferenciado, e/ou, com maiores espessuras das camadas constituintes do pavimento. Neste caso, a utilização de camadas tratadas com cimento, ou mesmo, concreto compactado com rolo (CCR) apresentam um melhor desempenho do ponto de vista da capacidade de suporte e das propriedades elásticas da estrutura do pavimento. Segundo a USACE (2000), o CCR possui menor consumo de cimento comparado ao concreto convencional. Além disso, é

2 necessário menor tempo para execução do mesmo e com uma quantidade reduzida de mãode-obra. Na obtenção das propriedades otimizadas do CCR, tanto os equipamentos utilizados para sua compactação em campo, bem como o consumo de cimento são de suma importância. As questões a serem analisadas baseiam-se em qual seria o desempenho de diferentes combinações dessas duas variáveis, ou seja, deseja-se conhecer o desempenho da dosagem do CCR com influência de distintos teores de cimento em conjunto com diferentes energias de compactação e se essas combinações podem atingir resistências semelhantes, sendo estas adequadas para projeto. Através deste estudo procura-se conhecer se diversas misturas na composição do CCR podem convergir em um mesmo resultado. Assim como a redução no teor de cimento juntamente com o aumento da energia de compactação poderiam resultar em resistências adequadas para projetos de bases e sub-bases, uma situação contrária das duas variáveis, ou seja, maior teor de cimento e menor nível de compactação também poderia subsidiar o mesmo efeito. Vários motivos poderiam interferir nessa mudança de dosagem e método de execução. Por exemplo, dependendo da região onde se efetuaria a obra, poderia ser encontrado um maquinário amplo e com equipamentos de grande eficácia, como também um reduzido número de instrumentos e com menor eficiência. Esse fator geográfico também é relevante para o cimento, podendo o mesmo se tornar um ônus para a obra civil, uma vez que é o elemento mais oneroso inserido na mistura do concreto. Para que essas misturas possam vir a ser concebidas e utilizadas, é primordial conhecer previamente o comportamento e resistência das mesmas, assim como as características de seus materiais constituintes. A partir do estudo das variáveis de energia de compactação, ou seja, índice de vazios da mistura e consumo de cimento poderá ser estabelecida uma relação com a resistência obtida, permitindo assim a otimização da dosagem e execução de obras de pavimentação com o uso de CCR. Assim sendo, este trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de um concreto compactado com rolo utilizado como base ou sub-base para pavimentos, com o emprego de diferentes teores de cimento e sob o efeito de diferentes níveis de compactação. Para que seja possível alcançar esse objetivo, busca-se: (a) realizar a caracterização tecnológica dos materiais a serem utilizados no estudo, (b) definir os parâmetros da dosagem do CCR com diferentes teores de cimento através de ensaios de compactação com energias correspondentes aos ensaios de Proctor normal e modificado, (c) executar ensaios de tração por compressão diametral e ensaios de compressão simples para que sejam utilizados como parâmetros chave no dimensionamento de bases e sub-bases de pavimentos, (d) identificar as alterações que a energia de compactação e o consumo de cimento propiciam sobre o desempenho das misturas e (e) realizar uma comparação entre o dimensionamento de duas estruturas de pavimentos, uma com base de brita graduada e outra com base de CCR, na qual se utilizarão as características obtidas no estudo laboratorial. 2 PROGRAMA EXPERIMENTAL O programa experimental foi dividido em três etapas. Na primeira etapa foram desenvolvidos ensaios de caracterização dos agregados. Na segunda etapa foi realizada a dosagem do CCR através de faixas granulométricas limites e ensaios de compactação. Na última etapa foram realizados ensaios para obtenção da resistência das diferentes misturas de CCR. 2.1 Materiais Como agregados miúdos foram utilizados areia artificial de rocha basáltica e areia natural de leito de rio. Os agregados graúdos utilizados foram pedras britadas de rocha basáltica, conhecidas comercialmente como brita 1 ¾ e brita 0 - ½, obtidos de uma pedreira da região de Passo Fundo. Na Tabela 1, são apresentadas algumas características dos agregados, já a Figura 1, apresenta as curvas granulométricas.

3 Tabela 1. Massas específicas e absorção dos agregados Agregado Massa específica real (g/cm³) Massa específica aparente (g/cm³) Brita 0-1/2" Brita 1-3/4" Areia natural Areia de britagem 2,39 2,64 2,69 2,73 2,23 2, Absorsão (%) 2,99 2, Para iniciar a dosagem, definiu-se a quantidade de cada agregado a partir das curvas granulométricas dos mesmos e dos limites para agregados utilizados em CCR propostos por Ragan e Pittman (1998 apud Pinto, 2010). Este procedimento foi realizado variando-se a quantidade de cada agregado, alcançando-se a faixa granulométrica mais adequada (Figura 2), o que resultou em uma mistura composta por 12% de areia natural, 44% de areia de britagem, 22% de brita 0 e 22% de brita 1. Figura 1. Curvas granulométricas dos agregados Também foram verificadas a resistências à abrasão (DNER, 1998) e a sanidade (DNER, 1994) dos agregados provenientes da pedreira, obtendo-se valores relativamente baixos de desgaste das amostras, sendo eles de 17,19% e 7,83%, respectivamente. O cimento utilizado foi o cimento Portland ARI, do tipo CP-V, devido ao mesmo proporcionar altas resistências iniciais. A água utilizada foi proveniente da distribuição da própria Universidade de Passo Fundo, sendo esta através de poços artesianos. Portanto, presume-se que a mesma possua características satisfatórias e seja isenta de substâncias prejudiciais à pega e endurecimento do concreto. 2.2 Métodos Figura 2. Faixa granulométrica da mistura Na execução do ensaio de compactação foram utilizados tanto cilindro quanto soquete grande, seguindo orientações da norma NBR 7182 (ABNT, 1986). Primeiramente, foi ensaiada a mistura de agregados com as energias normal e modificada, para serem definidas as quantidades em massa de cimento, através do peso específico aparente seco máximo (Tabela 2) e dos dois teores de cimento, sendo eles de 80 kg/m³, mínimo indicado pelo DNIT (2004) para CCR utilizado em bases e sub-bases de pavimentos, e 200 kg/m³. Tabela 2. Peso específico aparente seco máximo obtido a partir da compactação dos agregados Energia de compactação Normal Modificada Umidade ótima (%) 10,40 11, Dosagem do CCR Peso específico aparente seco máximo s (kn/m³) 19,80 20,80

4 Estabelecidas as quantidades de cimento, foram definidos os traços (Tabela 3) e realizados os ensaios de tais misturas. Tabela 3. Traços das misturas de CCR Cimento (kg/m³) Energ Cim Areia de britagem Areia natural Brita 1 Brita 0 80 Norm 1 10,89 2,97 5,45 5, Norm 1 4,36 1,19 2,18 2,18 80 Modif 1 11,45 3,12 5,73 5, Modif 1 4,58 1,25 2,29 2,29 Os dados obtidos a partir dos ensaios de compactação das misturas de CCR são apresentados na Tabela 4. Tabela 4. Dados obtidos através dos ensaios de compactação das misturas de CCR Teor cimento (kg/m³) umidade do corpo de prova foi de ± 1% e para o peso específico aparente seco máximo foi de ± 0,2 kn/m³, em relação aos resultados obtidos através dos ensaios de compactação. Após a moldagem, os corpos de prova foram curados em câmara úmida durante 7 dias, sendo imersos em água no dia anterior aos ensaios Resistência à copressão simples Foram realizados ensaios de resistência à compressão simples seguindo as descrições da norma NBR 5739 (ABNT, 1994). Após os 7 dias de cura, os corpos de prova tiveram suas medidas aferidas e então foi verificada a carga de ruptura dos mesmos através de um prensa hidráulica de carga máxima de 120 toneladas. Para melhor regularização do corpo de prova foi utilizado um disco de neoprene. Energia de compactação Norm Norm Modif Modif Resistência à tração por compressão diametral Umidade ótima (%) 11,00 8,10 7,40 7,25 Peso específico aparente seco máximo s (kn/m³) 19,97 20,70 21,50 21, Moldagem dos corpos de prova A moldagem dos corpos de prova para realização de ensaios de resistência foi realizada através da obtenção da massa de cada mistura de CCR necessária para preencher um molde com dimensões de 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura, esta massa foi calculada através do volume do molde e do peso específico aparente seco máximo da mistura, obtido através dos ensaios de compactação. O preenchimento do molde foi realizado através de 5 camadas, controlando-se a compactação das camadas através da altura das mesmas. Foram confeccionados 10 corpos de prova para cada mistura, 5 destes destinados a ensaios de resistência à compressão simples e outros 5 a ensaios de resistência à tração por compressão diametral, totalizando em 40 corpos de prova. A faixa de aceitação estabelecida para a Os ensaios para obtenção da resistência à tração por compressão diametral foram realizados conforme o método de ensaio DNER-ME 138 (DNER, 1994). Os procedimentos preliminares e equipamentos foram os mesmos utilizados no ensaio de resistência à compressão simples. Foi necessária uma adaptação na prensa para que se pudesse realizar o ensaio com os corpos de prova na posição horizontal. 3 RESULTADOS 3.1 Resistência à compressão simples As médias dos resultados obtidos no ensaio de resistência à compressão simples são apresentadas na Tabela 5, nota-se que os corpos de prova com teor de cimento igual a 80 kg/m³ não alcançaram a resistência mínima para concreto compactado com rolo utilizado como bases e sub-bases de estruturas de pavimentos, definida pelo Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT, 2004) como igual 5 MPa.

5 Tabela 5. Médias das resistências à compressão simples obtidas para cada mistura de CCR (MPa) Teor cimento (kg/m³) Energia de compactação Norm Norm Modif Modif Média 1,240 8,360 4,610 12,37 Desvio padrão 0,190 1,022 0,520 2,007 Variância 0,036 1,045 0,270 4,028 Nota-se ainda, para este teor de cimento, que o aumento da energia para modificada resultou em um aumento na resistência de cerca de 4 vezes, em relação a energia normal. Já para o teor de cimento de 200 kg/m³, esse aumento de resistência foi de aproximadamente 50%. A ruptura dos corpos de prova se deu por fraturas no topo e na base dos mesmos. 3.2 Resistência à tração por compressão diametral A Tabela 6 apresenta as médias dos valores obtidos através do ensaio de resistência à tração por compressão diametral. Tabela 6. Médias das resistências à tração obtidas para cada mistura de CCR (MPa) Teor cimento (kg/m³) Energia de compactação Norm Norm Modif Modif Média 0,210 1,220 0,620 1,400 Desvio padrão 0,033 0,109 0,062 0,193 Variância 0,001 0,012 0,004 0,037 Pode-se notar que a mudança de energia de normal para modificada ocasionou em um aumento em torno de 3 vezes na resistência, para o teor de cimento de 80 kg/m³. O mesmo efeito ocorre para o teor de cimento de 200 kg/m³, porém em menor proporção, cerca de 15%. A forma de ruptura de todos os corpos de prova ocorreu por meio de uma fissura longitudinal. Nota-se, que tanto para compressão quanto para tração, as resistências obtidas através do teor de cimento de 200 kg/m³ foram muito superiores às obtidas através do teor de 80 kg/m³. Pode-se salientar que os corpos de prova ensaiados à tração obtiveram uma resistência média de próximo de 15% da resistência obtida nos corpos de prova ensaiados à compressão. 4 DIMENSIONAMENTO DAS ESTRUTURAS DOS PAVIMENTOS Para efeito comparativo, realizou-se o dimensionamento de dois pavimentos em termos de vida de fadiga, um com base de brita graduada simples e outro com base de concreto compactado com rolo, no qual se utilizou os resultados obtidos através do estudo laboratorial. No dimensionamento optou-se por utilizar a mistura de CCR com consumo de cimento igual a 80 kg/m³ e energia de compactação modificada, pois uma mistura com a mesma característica foi estudada por Trichês (1994) e como nesta pesquisa não se determinou o módulo de resiliência das misturas de CCR, se optou por utilizar os resultados obtidos por aquele autor. Esses resultados são apresentados na Tabela 7, onde é possível verificar que as resistências obtidas neste estudo (Tabelas 5 e 6) se aproximam do limite inferior das obtidas pelo autor, assim, utilizou-se o valor de módulo mais baixo apresentado, igual a 7400 MPa. Tabela 7. Valores de Mr obtidos por Trichês (1994) Resistência à compressão simples (MPa) Resistência à tração (MPa) Módulo de resiliência (MPa) 5 a 7 0,6 a a As características dos materiais utilizados são apresentadas na Tabela 8 e um esboço da estrutura inicial utilizada nos dimensionamentos é apresentado na Figura 3. Outra característica importante é que no dimensionamento das estruturas utilizou-se um volume de tráfego, N,

6 igual a 6x10 7, o qual é considerado como tráfego pesado. Tabela 8. Características dos materiais utilizados Material Coeficiente de Poisson Módulo de resiliência (MPa) Peso específico (kn/m³) Camada asfáltica 0, ,50 Brita graduada 0,35 200( /p atm ) 0,6 22,00 CCR 0, ,00 Macadame seco 0, ,00 Subleito 0, ,90 10 cm Revestimento (Camada asfáltica) 20 cm Base (BGS ou CCR) 21 cm Sub-base (Macadame seco) Subleito Figura 3. Esboço das estruturas estudadas Para o cálculo das tensões e deformações nas estruturas analisadas utilizou-se o software Everstress 5.0. As tensões e deformações foram calculadas para um eixo simples de rodas duplas, tanto embaixo do centro de uma roda quanto entre os centros das duas rodas. Lembrase que o dimensionamento realizado é apenas em termos de vida de fadiga, então as tensões e deformações relevantes são as encontradas na face inferior da camada asfáltica e da camada de base constituída por CCR, onde existem esforços de tração. 4.1 Dimensionamento da estrutura com base de brita graduada simples A vida de fadiga do revestimento asfáltico foi avaliada através do modelo desenvolvido por Pinto (1991) a partir de ensaios de fadiga com tensão controlada em misturas asfálticas. Este modelo é apresentado abaixo: N L = 1,21x10-8 (1/ t ) 2,66 (1) Como o modelo foi obtido através de ensaios de laboratório, é necessário multiplicar o resultado obtido através do mesmo por um fator laboratório/campo, considerado igual a Após realizar várias análises de diferentes estruturas de pavimento, chegou-se a estrutura ilustrada na Figura 4, que apresenta uma deformação de tração na base do revestimento asfáltico igual a 94, o que resulta em uma vida de fadiga igual a 6,22x10 7, superior a estabelecida para o dimensionamento. 26 cm Revestimento (Camada asfáltica) 15 cm Base (Brita graduada simples) 21 cm Sub-base (Macadame seco) Subleito Figura 4. Estrutura com base de BGS ideal para o tráfego imposto 4.2 Dimensionamento da estrutura com base de concreto compactado com rolo Para o dimensionamento da estrutura de pavimento com base de concreto compactado com rolo utilizou-se o modelo de fadiga para CCR desenvolvido por Trichês (1994): N f = 10 (14,911 15,074SR) (2) A variável SR (stress ratio) é a razão entre a tensão de tração, verificada na face inferior da camada de CCR, e a resistência à tração, que no caso do CCR com 80 kg/m³ e energia de compactação modificada é igual a 0,62 MPa (Tabela 4). Assim como para a estrutura com base de BGS, realizaram-se análises de diversas estruturas, até que se obteve a estrutura ilustrada na Figura 5. Esta estrutura apresenta tensão de tração na face inferior da camada de CCR igual a 0,293 MPa, resultando em uma vida de fadiga igual a 6,12x10 7, sendo superior ao valor de N estabelecido para a realização do dimensionamento. As estruturas analisadas não apresentaram esforços de tração na camada de revestimento, assim, não se faz necessária a verificação de tal critério nesta camada. Porém, as trincas geradas pela fadiga na camada de CCR poderiam se

7 propagar para o revestimento, portanto, seria interessante a aplicação de tratamentos antireflexão de trincas antes da execução da camada asfáltica. Tal tratamento poderia ser através da aplicação de geossintéticos, camadas asfálticas intermediárias anti-reflexão de trincas (SAMI) ou tratamentos superficiais especiais com elevado teor de ligante. Ainda, seria possível utilizar um pavimento invertido, substituíndo-se o macadame seco da camada de sub-base pelo CCR e utilizando-se a BGS como camada de base. Assim, as trincas por fadiga ou retração que surgissem na camada de sub-base (CCR) não se propagariam para a camada de revestimento, devido à camada granular (BGS) entre as duas. 10 cm Revestimento (Camada asfáltica) 27 cm Base (Concreto compactado com rolo) 21 cm Sub-base (Macadame seco) Subleito Figura 5. Estrutura com base de CCR ideal para o tráfego imposto Através do dimensionamento das duas estruturas, com base de BGS e CCR, é possível verificar que as duas seriam aptas para o tráfego imposto, porém, seria necessária uma camada asfáltica quase três vezes mais espessa para a primeira estrutura. se mostrou mais eficiente para o teor de cimento de 80 kg/m³, aumentando em cerca de 4 vezes o valor da resistência à compressão e 3 vezes o valor da resistência à tração. Isto mostra que para baixos níveis de cimentação, o efeito do aumento da energia de compactação é de grande importância e que quando se tem quantidades maiores de cimento, o efeito da compactação não é observado com mais intensidade; Os valores obtidos para resistência à tração foram de cerca de 15% dos valores obtidos para resistência à compressão; O aumento na resistência causado pelo acréscimo do teor de cimento é maior que o causado pela mudança de energia de compactação, podendo ser explicado pela grande diferença entre os dois teores utilizados, sendo o maior deles 2,5 vezes mais elevado que o menor. Lembrando que para o menor teor de cimento o efeito da compactação é mais acentuado; O dimensionamento das duas estruturas, com base de BGS e CCR, mostrou que ambas seriam aptas para o tráfego imposto. Porém, a espessura da camada de revestimento asfáltico da estrutura com base de BGS seria muito maior, possivelmente ocasionando maior custo. 5 CONCLUSÕES Com base nos dados obtidos neste estudo, foram estabelecidas as seguintes conclusões: A umidade ótima da mistura diminui com o aumento do teor de cimento, sendo mais sensível quando compactado com energia normal. Isso pode ocorrer devido ao fato de a mistura se tornar mais plástica com a adição de cimento, fazendo com que as partículas se acomodem durante a compactação, alcançando o peso específico aparente seco máximo com menor umidade; O aumento da energia de compactação REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas. Solo Ensaio de compactação: NBR Rio de Janeiro, 10p Associação Brasileira de Normas Técnicas. Concreto Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos: NBR Rio de Janeiro, 4p Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. Misturas betuminosas determinação da resistência à tração por compressão diametral: DNER ME 138/86. Rio de Janeiro, 4p Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. Agregados avaliação da durabilidade pelo emprego de solução de sulfato de sódio ou de magnésio: DNER ME 89/94. Rio de Janeiro Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. Agregados determinação da abrasão Los Angeles : DNER ME 35/98. Rio de Janeiro

8 Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. Pavimento rígido Pavimento de concreto de cimento Portland, compactado com rolo Especificação de serviço: DNIT 059/2004 ES. Rio de Janeiro, 11p Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. Pavimento rígido Sub-base de concreto de cimento Portland compactado com rolo Especificação de serviço: DNIT 056/2004 ES. Rio de Janeiro, 8p Pinto, P. C. Investigação de parâmetros do CCR com incorporações de escória granulada de alto forno para utilização como base de pavimentos p. Dissertação (Mestrado em Engenharia) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. Pinto, S. Estudo do Comportamento à Fadiga de Misturas Betuminosas e Aplicação na Avaliação Estrutural de Pavimentos Tese (Doutorado em engenharia) COPPE Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. Trichês, G. Comportamento na Fadiga de Misturas de Concreto Compactado a Rolo para Pavimentação. In: 28 o RAPv. Associação Brasileira de pavimentação ABPv Anais Belo Horizonte, MG, Trichês, G. Propriedades Mecânicas de Misturas de Concreto Compactado a Rolo. In: 28 o RAPv. Associação Brasileira de pavimentação ABPv Anais Belo Horizonte, MG, United States Army Corps of Engineers. Engineering and design Roller-compacted concrete: EM Jan 15, Disponível em: < Acesso em: 10 de junho de 2012.