Influência da Energia e Temperatura de Compactação nas Propriedades Básicas de Concreto Asfáltico para Núcleo de Barragem

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1 Influência da Energia e Temperatura de Compactação nas Propriedades Básicas de Concreto Asfáltico para Núcleo de Barragem Renato Cabral Guimarães Furnas Centrais Elétricas S.A. e Universidade Estadual de Goiás, Goiânia, Brasil, Bruno da Silva Borges Universidade Estadual de Goiás, Goiânia, Brasil, Andressa Rocha Basílio Belo Universidade Estadual de Goiás, Goiânia, Brasil, José Camapum de Carvalho Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, Márcio Muniz de Farias Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, RESUMO: Barragens com núcleo de concreto asfáltico se apresentam como soluções alternativas em casos onde não se possuem materiais adequados para a execução de um núcleo argiloso e em locais onde não é possível construir barragens de concreto ou de enrocamento com face de concreto. Mesmo em casos onde é possível construir esses tipos de barragens as barragens com núcleo de concreto asfáltico podem ser mais viáveis economicamente, pois outra vantagem desse tipo de barragem é a velocidade de construção, independentemente das condições climáticas. Apesar de suas vantagens, barragens com núcleo asfáltico nunca foram utilizadas no Brasil, o que torna o assunto pouco conhecido no meio técnico nacional. Em dezembro de 2009 iniciou-se a construção da primeira barragem com núcleo de concreto asfáltico do Brasil, a barragem principal da Usina Hidrelétrica de Foz do Chapecó localizada no Rio Uruguai na divisa dos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Existem vários fatores que podem influenciar no comportamento mecânico e hidráulico das misturas betuminosas, sendo que nesse tipo de barragem o fator que deve ser mais bem controlado é o volume de vazios, pois o núcleo deve ser impermeável para a pressão de água do reservatório. Essa pesquisa analisou a influência da energia e temperatura de compactação nas propriedades básicas dos concretos asfálticos utilizados em núcleos de barragens. A energia e temperatura de compactação podem influenciar nas propriedades dos núcleos asfáltico, portanto visa-se com essa pesquisa avaliar o grau de influência dessas. Para esse fim, foram realizadas as dosagens dos concretos asfálticos utilizando-se dois tipos de agregados: um basalto e um granitognaisse. Para ambas as misturas dosadas utilizou-se um cimento asfáltico de petróleo (CAP 50/70) como ligante e como granulometria foi utilizada a curva de Fuller para misturas asfálticas densas. Utilizando as dosagens foi determinado o teor de asfalto, a energia e temperatura de referência e logo após foram moldados corpos-de-prova em energias e temperaturas acima e abaixo das de referência. Tais corpos-de-prova tiveram seus parâmetros volumétricos, de resistência à tração e coeficiente de permeabilidade determinados. Os resultados, de uma maneira geral, se mostraram constantes não sofrendo uma influência significativa devido à variação da energia e temperatura de compactação. PALAVRAS-CHAVE: Barragens, Concreto Asfáltico, Energia de Compactação, Permeabilidade, Resistência à Tração, Temperatura. 1

2 1 INTRODUÇÃO Na escolha do tipo de barragem, vários fatores são levados em consideração, como o tipo de vale, tipo de fundação, tempo de execução e a existência de materiais adequados e em quantidades suficientes. Nos casos de barragens de terra e/ou enrocamento uma impermeabilização deve ser executada, sendo que o núcleo argiloso e a face de concreto são os tipos mais utilizados no Brasil. Quando não é possível aplicar núcleo argiloso por falta de material ou em função do clima e a face de concreto por problemas na fundação deve-se buscar métodos alternativos para impermeabilizar a barragem, sendo que o uso concreto asfáltico (concreto betuminoso usinado a quente CBUQ) é uma alternativa eficaz e em muitos casos economicamente atrativa. Apesar de suas vantagens, barragens com núcleo de concreto asfáltico nunca foram utilizadas no Brasil, o que torna o assunto pouco conhecido no meio técnico nacional. A primeira barragem brasileira com núcleo de concreto asfáltico será a usina hidrelétrica de Foz do Chapecó localizada no Rio Uruguai na divisa dos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul, construída entre dezembro de 2009 e abril de Existem vários fatores que podem influenciar no comportamento mecânico e hidráulico das misturas betuminosas, sendo um dos mais importantes o volume de vazios. Segundo Höeg (1993), para um volume de vazios menor do que 3% o concreto asfáltico pode ser considerado praticamente impermeável, característica imprescindível em um núcleo de barragem. O presente estudo avaliou a influência da energia e temperatura de compactação nas propriedades básicas (parâmetros volumétricos, resistência à tração e permeabilidade) do CBUQ utilizado em núcleos de barragens. A temperatura e energia utilizada na compactação do núcleo asfáltico podem influenciar no volume de vazios e consequentemente na permeabilidade e outras propriedades do concreto asfáltico. Os resultados e análises apresentadas nesse artigo visam avaliar essa influência. 2 MATERIAIS UTILIZADOS 2.1 Ligante Asfáltico Utilizou-se na pesquisa um CAP fornecido pela Distribuidora Brasileira de Petróleo S/A (DISBRAL), localizada no município de Aparecida de Goiânia, e proveniente da refinaria de Betim em Minas Gerais. Esse ligante foi escolhido devido à sua grande utilização na pavimentação, facilitando assim sua obtenção, e por apresentar um grau de penetração comumente utilizado na execução de misturas betuminosas para núcleos de barragens, conforme mostrado por Höeg (1993). Os resultados dos ensaios de caracterização do CAP encontram-se na Tabela 1. Os ensaios foram realizados segundo as recomendações das normas da ABNT. Com base nesses resultados foi possível verificar as características do ligante e determinar alguns parâmetros utilizados na dosagem do CBUQ. Tabela 1. Resultados dos ensaios de caracterização do CAP Ensaio Especificação Resultado Densidade Relativa (g/cm³) - 1,000 Penetração (0,1 mm) 50 a Ductilidade (cm) Mínimo Ponto de Amolecimento ( C) Mínimo Suscetibilidade Térmica -1,5 a + 0,7-1,5 Ponto de Fulgor ( C) Mínimo C (s) C (s) C (s) Mínimo C (s) Mínimo C (s) - 47 Todas as especificações da norma EM 095 (DNIT, 2006a) foram atendidas pelo ligante utilizado e parâmetros importantes para o processo de dosagem foram definidos, como a densidade relativa, utilizada nos cálculos da densidade máxima teórica (DMT) e parâmetros volumétricos da mistura compactada. Os resultados de viscosidade com as diferentes temperaturas foram utilizados para 2

3 traçar a curva viscosidade-temperatura, conforme mostrada na Figura 1. Tal curva foi utilizada para se determinar as temperaturas de aquecimento do CAP e dos agregados, bem como a temperatura de compactação do CBUQ. Figura 1. Curva viscosidade-temperatura do CAP no agregado em questão. A fim de se solucionar esse problema foi adicionado ao ligante um aditivo tenso-ativo melhorador de adesividade (dope) na proporção de 0,1% da massa do CAP. Tabela 2. Caracterização do Agregado Basalto. Resultado Ensaio Brita 19 mm Brita 9,5 mm Areia Artificial ρ s (g/cm³) 2,990 2,983 3,004 ρ d (g/cm³) 2,867 2,813 - Absorção (%) 1,5 2,1 2,5 Porosidade (%) 4,4 5,9 - Índice de Forma 0,8 0,6 - Adesividade Satisfatória Satisfatória - Abrasão (1) (%) 19 - Sanidade (2) (%) 0,01 - Legenda: ρ s = Massa Específica Real dos Grãos; ρ d = Massa Específica Aparente Seca; (1) Abrasão Los Angeles; (2) Sanidade ao ataque de Na2SO Agregados Foram utilizados na pesquisa dois tipos de agregados minerais, um basalto proveniente da região da UHE Foz do Chapecó e um granitognaisse da região da UHE Santo Antônio (localizada no Rio Madeira na cidade de Porto Velho RO). Tais agregados foram escolhidos por estarem localizados próximos a barramentos que estavam em execução durante o período da pesquisa, sendo que o agregado basalto foi utilizado na execução do núcleo da UHE Foz do Chapecó. Os agregados selecionados são também de tipos comumente utilizados em barragens com núcleo de concreto asfáltico (CBDB, 1999). Os resultados dos ensaios de caracterização do agregado basalto encontram-se na Tabela 2 e na Figura 2 e os resultados do agregado granitognaisse na Tabela 3 e na Figura 3. Com base nesses resultados foi possível verificar que os dois agregados utilizados atenderam à especificação ES 031 (DNIT, 2006b) para agregados utilizados em concretos asfálticos além de se determinar outros parâmetros utilizados na dosagem Marshall. O agregado granito-gnaisse apresentou uma adesividade ao CAP não satisfatória. Segundo Bernucci et al. (2008) alguns granitos podem apresentar uma baixa adesividade, sendo chamados de hidrófilos, fato que foi percebido Figura 2. Curva granulométrica do agregado Basalto. Tabela 3. Caracterização do Agregado Granito-Gnaisse. Resultado Ensaio Brita 19 mm Areia Artificial ρ s (g/cm³) 2,647 2,658 ρ d (g/cm³) 2,618 - Absorção (%) 0,5 - Porosidade (%) 1,4 - Índice de Forma 0,9 - Adesividade Não Satisfatória - Adesividade com dope Satisfatória - Abrasão Los Angeles (%) 34 - Sanidade ao Na 2 SO 4 (%) 0,00 - Legenda: ρ s = Massa Específica Real dos Grãos; ρ d = Massa Específica Aparente Seca. 3

4 Figura 3. Curva granulométrica do agregado Granito- Gnaisse. 3 METODOLOGIA 3.1 Dosagem do CBUQ As dosagens foram realizadas utilizando o método de dosagem Marshall para misturas betuminosas a quente, o qual é normatizado pelo método de ensaio ME 043 (DNER, 1995). Para os dois agregados da pesquisa utilizouse como composição granulométrica da mistura a curva de Fuller para misturas asfálticas densas, sendo adotado um diâmetro máximo de 16 mm e n=0,41 (HÖEG, 1993; ICOLD, 1992). Utilizando estes parâmetros obteve-se que a mistura seria composta de 11,1% de filler (material passado na peneira Nº 200). O filler foi composto em partes iguais do filler do agregado e de calcário. Os teores de CAP adotados para os dois agregados variaram entre 5,5% a 7,5% com incrementos de 0,5%. Com base na curva viscosidade vs. temperatura do CAP utilizado (Figura 1) foi definido 149 C ± 3ºC como a temperatura de mistura do CAP com os agregados, temperatura na qual o ligante apresenta uma viscosidade de 85±10 ssf. Os agregados foram aquecidos a 161 C ± 5ºC, 12 C acima da temperatura de aquecimento do CAP e a compactação da mistura se deu em 141 C ± 3ºC, temperatura na qual o ligante possui uma viscosidade de 140±15 ssf. É prescrito pela norma rodoviária ME 043 (DNER, 1995) a aplicação de 75 golpes do soquete compactador em cada extremidade do corpo-de-prova, entretanto nesse trabalho, durante a compactação, aplicaram-se 30 golpes em cada face, visto que essa energia representa melhor as condições de compactação no campo no caso de barragens. Definido o teor ótimo de CAP nas dosagens executaram-se novas compactações variando-se a energia e temperatura de compactação para a determinação dos parâmetros da mistura e realização de ensaios de resistência à tração e de permeabilidade. A variação da energia foi obtida variando-se o número de golpes: 10, 20, 30, 40, 60 e 75 golpes em cada lado. Para o agregado Basalto, a fim de se confirmar seu comportamento, foi utilizada também 5 golpes. Para variação da temperatura foram compactados corpos-deprova com as seguintes temperaturas: 106, 111, 126, 141, 156 e 171 C. A energia e temperatura padrão são, respectivamente, 30 golpes de cada lado e 141 C. 3.2 Ensaio de resistência à tração A resistência à tração é uma das propriedades mecânicas do concreto asfáltico e sua determinação foi realizada de acordo com o método de ensaio ME 138 (DNER, 1994). O ensaio consiste no rompimento de uma amostra de CBUQ por compressão e ao longo de seu diâmetro. Para a realização dos ensaios foram compactados dois corpos-de-prova com aproximadamente 6,3 cm de altura por 10 cm de diâmetro, para cada energia e temperatura investigadas. 3.3 Permeabilidade Os ensaios foram realizados somente com o agregado basalto, utilizando a campânula descrita na NBR (ABNT, 1989) e os procedimentos adotados no NGI (Norwegian Geotechnical Institute) com algumas modificações. No método norueguês aplica-se 100 kpa por minuto até um máximo de 1000 kpa num período de 10 minutos. Após atingir a pressão máxima, mantém-se o corpo-de-prova com esta 4

5 COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE ABMS. pressão por 2 horas. A água percolada é coletada em uma bureta graduada e então calculada a permeabilidade. Se em duas horas não houver percolação, a mistura é considerada impermeável para núcleos asfálticos. Na pesquisa, os corpos-de-prova foram submetidos a três diferentes pressões (500 kpa, 750 kpa e 1000 kpa). Para poder realizar, com maior critério, a análise das propriedades hidráulicas, quanto à variação de energia e temperatura, adotou-se como padrão um período de 24 horas em que os corpos-de-prova ficaram submetidos a cada uma dessas pressões. As amostras utilizadas nos ensaios foram compactadas de acordo com a metodologia Marshall, entretanto foram realizadas algumas modificações na metodologia e no equipamento conforme mostrado por Falcão (2003), de forma a possibilitar a execução dos corpos-de-prova com dimensões de 10 cm x 10 cm. 4 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS 4.1 Dosagem do CBUQ Os resultados das dosagens para os dois agregados encontram-se nas Figuras 4 a 6. O comportamento do concreto betuminoso, para ambos os agregados, se mostrou dentro do esperado. A densidade aparente e densidade máxima teórica (DMT) diminuíram com o aumento do teor de asfalto, visto que o asfalto tem uma massa específica mais baixa e quanto maior sua presença na mistura menor a densidade aparente da mesma. Para o granitognaisse a densidade aparente e DMT foram menores do que o CBUQ dosado com o basalto, devido à menor massa específica do primeiro agregado. O volume de vazios ficou abaixo de 3%, demonstrando que as misturas estudadas atendem a este requisito para a aplicação em núcleos de barragens. O volume de vazios do CBUQ dosado com o agregado Basalto apresentou maiores valores, devido à maior porosidade desse agregado em relação ao granito-gnaisse. Figura 4. Parâmetros volumétricos das dosagens Marshall. Figura 5. Estabilidade Marshall. 5

6 densidades aparentes, que por sua vez, influenciam diretamente no volume de vazios. Figura 6. Fluência Marshall. No estudo de misturas para núcleo de barragens não são avaliadas a estabilidade e fluência, no entanto aproveitaram-se os corposde-prova compactados e foram realizados esses ensaios. Verifica-se que a estabilidade apresenta valores razoáveis, acima de 500 kgf, no entanto a fluência é muito alta, muito acima dos valores normalmente encontrados em misturas utilizadas em pavimentos. Os resultados dos ensaios de estabilidade e fluência apresentam comportamento na ruptura diferente do normalmente obtido em misturas para pavimentação devido às altas taxas de CAP utilizadas. Com base nos volumes de vazios obtidos definiu-se o valor de 6,5% como teor de CAP para verificar a influência da energia e temperatura de compactação nos ensaios de resistência à tração e permeabilidade. Tal valor foi escolhido por ser o ponto onde ocorre a estabilização do volume de vazios que influência diretamente na permeabilidade, a qual é a principal propriedade a ser assegurada em um núcleo de concreto asfáltico. 4.2 Ensaio de resistência à tração Os resultados dos ensaios de resistência à tração são apresentados nas Figuras 7 e 8. Algumas pequenas variações são percebidas nos resultados, entretanto de uma maneira geral não houve uma influência significativa da energia e temperatura nesta propriedade dos concretos asfálticos estudados. Essas pequenas variações são decorrentes, principalmente, da perda de massa dos corpos-de-prova durante a compactação, o que causa alterações nas Figura 7. Resistência à tração com variação da energia. Figura 8. Resistência à tração com variação da temperatura. 4.3 Ensaio de permeabilidade Antes de submeter os corpos-de-prova ao ensaio de permeabilidade foi determinado o volume de vazios dos mesmos (Tabela 4). Notase que todos os corpos-de-prova apresentaram volume de vazios menor do que 3%. Tabela 4. Volume de vazios dos corpos-de-prova utilizados na determinação da permeabilidade. Variação de Golpes Variação Temperatura Golpes Vv médio (%) Temp. ( C) Vv médio (%) 10 1, ,9 20 1, ,0 30 1, ,0 40 1, ,9 60 1, ,7 75 1, ,7 Os resultados dos ensaios de permeabilidade 6

7 para as três pressões aplicadas estão apresentados nas Tabelas 5 e 6. A campânula utilizada nos ensaio não possui uma base para os corpos-de-prova, o que pode causar uma deformação excessiva da base, a partir da qual não é possível dar continuidade ao ensaio. Nestes casos os ensaios foram interrompidos, pois os corpos-de-prova romperam e a permeabilidade não foi determinada. Tabela 5. Coeficiente de permeabilidade (cm/s) em função da variação da energia. Nº de Pressão Aplicada (kgf/cm²) CP Golpes 5,0 7,5 10, , , Impermeável 2 3, Impermeável 1, , Rompeu Rompeu 4 1, Rompeu Rompeu , Impermeável 1, , Rompeu Rompeu , Impermeável 1, , Impermeável Rompeu 60 9 Impermeável 2, Impermeável Impermeável Impermeável Impermeável 11 Impermeável Impermeável Impermeável 12 Impermeável 2, Impermeável 13 Impermeável 2, Impermeável 14 Impermeável Impermeável Impermeável Tabela 6. Coeficiente de permeabilidade (cm/s), em função da variação da temperatura. Temp. Pressão Aplicada (kgf/cm²) CP ( C) 5,0 7,5 10, Impermeável Impermeável Impermeável 2 Impermeável Impermeável Impermeável 3 3, , Impermeável 4 Rompeu Rompeu Rompeu 5 3, Impermeável Impermeável 6 3, , , Impermeável Impermeável Impermeável 8 Impermeável 4, Impermeável 9 Impermeável Impermeável Impermeável 10 Impermeável Impermeável Impermeável 11 6, , Impermeável 12 Impermeável Impermeável Impermeável Verifica-se nas Tabelas 5 e 6 que todos os corpos-de-prova apresentaram baixíssimos coeficientes de permeabilidade independentemente da energia e temperatura adotadas. Os coeficientes de permeabilidade obtidos estão de acordo com a ordem de grandeza sugerida por Höeg (1993), ou seja, da ordem de 10-9 cm/s. 5 CONCLUSÕES Verificou-se uma influência relevante das características dos agregados nas propriedades básicas do CBUQ, sendo que as densidades aparentes e máximas teóricas das misturas asfálticas se mostraram diretamente proporcional às massas específicas dos agregados. A porosidade dos agregados influenciou no volume de vazios, o qual se mostrou maior para a mistura realizada com o basalto, agregado que possui uma maior porosidade. Para os concretos asfálticos estudados, de uma maneira geral, as propriedades volumétricas como densidade aparente e volume de vazios se mantiveram constantes ao se variar a energia e a temperatura de compactação. Pequenas variações nesses resultados foram percebidas, entretanto tais variações são causadas principalmente pela perda de massa do corpo-de-prova no momento da compactação e pelos resultados das massas específicas dos materiais constituintes da mistura. Ambas as características afetam diretamente o cálculo de parâmetros volumétricos como o volume de vazios. A variação da energia e temperatura de compactação também não influenciou significativamente os resultados de resistência à tração e de permeabilidade, os quais se apresentaram constantes de uma maneira geral. A constância dos resultados obtidos, a princípio, implica na utilização de menores temperaturas e energias de compactação, sem alterações das características do concreto asfáltico. Essa característica deve esta ligada ao alto teor de CAP adotado (6,5%) o que torna a mistura bastante fluida e praticamente autoadensável, independentemente da enrgia aplicada. Para um melhor entendimento da influência da energia e temperatura nas propriedades estudadas, devem ser realizados ensaios com menores teores de CAP. 7

8 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Furnas Centrais Elétricas S.A. que possibilitou a realização da pesquisa e a divulgação dos dados REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 10786: Concreto endurecido - Determinação do coeficiente de permeabilidade à água. Rio de Janeiro, BERNUCCI, L. B.; MOTTA, L. M. G.; CERATTI, J. A.P.; SOARES, J. B. Pavimentação Asfáltica: formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro: PETROBRÁS; ABDEA, p. COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS (CBDB). Barragens de aterro com revestimento de concreto asfáltico: resumo e recomendações. Boletim 114, [S.l.], p. Tradução de João L. E. Merino. DARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM (DNER). ME 043: Misturas Betuminosas a Quente - Ensaio Marshall. Rio de Janeiro, DARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM (DNER). ME 138: Misturas Betuminosas - Determinação da Resistência à Tração por Compressão Diametral. Rio de Janeiro, DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRA- ESTRUTURA DE TRENSPORTES (DNIT). EM 095: Cimentos Asfálticos de Petróleo - Especificação de Material. Rio de Janeiro, 2006a. DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRA- ESTRUTURA DE TRENSPORTES (DNIT). ES 031: Pavimentos Flexíveis Concreto Asfáltico. Rio de Janeiro, 2006b. FALCÃO, P. R. F. Aplicação de misturas betuminosas em barragens de terra e enrocamento. Dissertação (Mestrado em Geotecnia) Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Distrito Federal, p. HÖEG, K. Asphaltic Concrete Cores for Embankment Dams: Experience and Practice. Billingstad: StikkaTrykk, p. INTERNATIONAL COMMISSION ON LARGE DAMS (ICOLD). Bituminous cores for fill dams: State of the art. Bulletin 84, Paris, p. 8

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