COMPORTAMENTO À FADIGA DA MATRIZ DE AGREGADO FINO DE MISTURAS ASFÁLTICAS

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1 COMPORTAMENTO À FADIGA DA MATRIZ DE AGREGADO FINO DE MISTURAS ASFÁLTICAS Andressa Ka Yan NG Adalberto Leandro Faxina

2 COMPORTAMENTO À FADIGA DA MATRIZ DE AGREGADO FINO DE MISTURAS ASFÁLTICAS Andressa Ka Yan NG Adalberto Leandro Faxina Departamento de Engenharia de Transportes Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo RESUMO O mecanismo de deterioração mais presente nos pavimentos flexíveis do Brasil e do mundo é a fadiga. Nesta pesquisa, a MAF (matriz de agregado fino) será usada na avaliação do comportamento das misturas asfálticas completas quanto ao dano causado pela fadiga, considerando: o tipo de agregado mineral, o nível de envelhecimento do ligante asfáltico, a presença de modificadores no ligante asfáltico e o nível de frequência de carregamento. Os ensaios serão conduzidos no reômetro de cisalhamento dinâmico (DSR) e a avaliação das MAFs será realizada por meio da análise dinâmico-mecânica (DMA), uma ferramenta eficaz para a análise do comportamento mecânico das MAFs sob diferentes condições de carregamento. Espera-se que este estudo venha proporcionar contribuições no sentido de aumentar a vida de fadiga das misturas asfálticas, seja por meio da proposição de materiais mais adequados ou pelo aprofundamento do conhecimento acerca dos fatores que influenciam o desenvolvimento das trincas. 1. PROPOSTA DE PESQUISA Um dos mecanismos de deterioração mais encontrados nas rodovias é o trincamento das misturas asfálticas devido ao dano por fadiga (Huang, 2004). Os esforços repetidos de compressão vertical oriundos do tráfego pesado mobilizam esforços de flexão na camada de revestimento, fazendo com que, ao longo do tempo, microtrincas se desenvolvam (Balbo, 2007). Tais microtrincas se propagam e aumentam gradativamente de tamanho, dando origem a macrotrincas, que caminham na direção da superfície do pavimento. Tal fenômeno pode levar à ruptura completa do material que compõe a camada de revestimento. Com o objetivo de reproduzir da maneira fidedigna no laboratório as condições de carregamento reais de campo que geram trincamentos nos revestimentos asfálticos, pesquisadores (Kim et al., 2003, Castelo Branco, 2008) têm realizado análises na esfera da Matriz de Agregado Fino (MAF), que é constituída pela fração fina da composição granulométrica da Mistura Asfáltica Completa (MAC) e por ligante asfáltico. Tais pesquisadores acreditam que o microtrincamento por fadiga se dá inicialmente na MAF. Tendo em vista que diversos fatores intervêm no processo de trincamento por fadiga das misturas asfálticas, a presente pesquisa visa avaliar o efeito de alguns fatores sobre as características de fadiga da mistura asfáltica por meio de amostras de MAF, utilizando a análise dinâmico-mecânica (DMA). Os fatores a serem considerados neste experimento são: (i) tipo de agregado mineral (basalto e granito); (ii) tipo de ligante asfáltico (CAP puro, CAP+ácido polifosfórico, CAP+borracha e CAP+SBS); (iii) nível de envelhecimento (curto e longo prazo); e (iv) freqüência de carregamento (carregamentos cíclicos com diferentes níveis de frequência). Acredita-se que os resultados deste experimento possibilitarão identificar, diante das condições de ensaio, a combinação de materiais (agregado e ligante asfáltico) com melhor desempenho à fadiga. Pretende-se também avaliar a viabilidade do emprego do método da superfície específica para dosagem de misturas betuminosas (DER M148-60) como método para determinação do teor inicial de ligante asfáltico para composição das MAFs.

3 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os pavimentos asfálticos apresentam quatro principais mecanismos de deterioração: trincas por fadiga, deformação permanente, trinca de origem térmica e dano por umidade. Esses mecanismos ocorrem devido a diversos fatores, podendo ser: (i) intrínsecos (tipo de ligante asfáltico, tipo de agregado mineral, faixa granulométrica, volume de vazios, oxidação do ligante asfáltico) e (ii) extrínsecos (temperatura, condições de carregamento, níveis de radiação solar e condição de drenagem do pavimento). Huang (2004) e Medina (1997) afirmam que um dos mecanismos de deterioração mais encontrados nos pavimentos flexíveis no Brasil e no mundo é o trincamento nas misturas asfálticas devido ao dano por fadiga. Uma das opções para aumentar a resistência das misturas asfálticas à fadiga é a modificação do ligante asfáltico, seja por polímeros ou materiais recicláveis. Tal alternativa tem sido adotada para contornar os problemas relacionados: (i) às intensas cargas de tráfego que solicitam o pavimento, (ii) aos diferentes climas dos locais em que as misturas asfálticas são aplicadas e (iii) aos diferentes arranjos granulométricos das misturas asfálticas. Dentre os diversos modificadores disponíveis no mercado, o ácido polifosfórico (PPA) se destaca pela facilidade de incorporação ao ligante asfáltico. O PPA proporciona às misturas asfálticas um aumento da resistência à deformação permanente, sem reduzir a resistência ao trincamento de origem térmica (Baumgardner, 2012). A borracha moída de pneus descartados também se destaca por melhorar a qualidade dos pavimentos com custo menor aos demais ligantes asfálticos modificados, além de minimizar os impactos ambientais gerados pelo descarte inadequado de pneus (Navarro et al., 2002). Estudos mostram que a borracha moída (i) aumenta a vida de fadiga das misturas asfálticas (Epps, 1994), (ii) diminui a suscetibilidade à ação da água (Hanson et al., 1994) e (iii) aumenta a resistência ao trincamento térmico (Epps, 1994; Choubane et al., 1999). Outro polímero muito utilizado na pavimentação é o SBS (copolímero de estireno-butadieno-estireno). Park et al. (2009) verificaram o aumento na vida de fadiga de misturas asfálticas modificadas com SBS, além de elevados valores da Relação entre Resistências à Tração (RRT), indicando baixa suscetibilidade à ação da água. O efeito do envelhecimento do ligante asfáltico também influencia a resposta das misturas asfálticas quanto ao dano por fadiga. Durante o processo de envelhecimento, os maltenos, por processo químico-orgânico de natureza complexa, se transformam em substâncias de natureza similar aos asfaltenos, aumentando a rigidez do material e tornando-o mais frágil e quebradiço (Balbo, 2007). Em virtude da suscetibilidade do ligante asfáltico ao envelhecimento, é necessário considerar o efeito do envelhecimento do ligante asfáltico devido às mudanças das propriedades reológicas sofridas pelo material ao longo do tempo. Outro fator interveniente sobre o processo de fadiga da mistura asfáltica é a velocidade do tráfego (ou frequência de aplicação do carregamento), dado que o ligante asfáltico, por ser um material de natureza viscoelástica, tem sua rigidez alterada em função da frequência de carregamento. Pesquisadores vêm considerando em seus estudos os efeitos da frequência de carregamento, adotando valores de 1 Hz a 30 Hz, de maneira a avaliar os efeitos das baixas e das altas velocidades de tráfego. Quanto ao dano por fadiga nas misturas asfálticas, pesquisadores como Kim et al. (2003) e Castelo Branco (2008) afirmam que o dano por fadiga está relacionado a fenômenos de pequena escala, com influência considerável da parte fina da mistura asfáltica, também

4 conhecida como Matriz de Agregados Finos (MAF) ou simplesmente mástique. Com base neste pressuposto, pode-se estimar a resistência à fadiga da MAC com base em propriedades reológicas que mensurem o comportamento à fadiga da MAF. O método DMA (Dynamic Mechanical Analysis) tem-se mostrado eficiente na caracterização do comportamento de ligante asfáltico e de mástique quanto ao dano por fadiga (Kim et al., 2003). A partir deste método, pesquisadores vêm descrevendo modelos de vida de fadiga para misturas asfálticas que são independentes do modo de carregamento (tensão ou deformação controlada). Os estudos realizados por Goodrich (1988, 1991), Gubler et al. (1999), Smith e Hesp (2000) e Kim et al. (2003) mostraram que a DMA é uma ferramenta eficaz para a caracterização das MAFs sob diferentes condições de carregamento (frequência, temperatura, modo de carregamento, entre outros), e diferentes condições dos materiais (seco ou úmido). Além destas aplicações, Castelo Branco (2008) constatou que o método DMA é capaz de unificar as respostas dos ensaios à tensão e à deformação controladas, além de fornecer dados para o cálculo do índice de crescimento da trinca, R(Nf). 3. MÉTODO As MAFs avaliadas nesta pesquisa são resultantes da combinação fatorial de quatro fatores, resultando 32 condições experimentais (2x4x2x2=32): - Fator 1 Agregado: 2 níveis (basalto e granito); - Fator 2 Ligante asfáltico: 4 níveis (CAP puro, CAP+PPA, CAP+borracha e CAP+SBS); - Fator 3 Envelhecimento: 2 níveis (curto prazo e longo prazo); - Fator 4 Frequência: 2 níveis (10 e 30 Hz). Após o desenvolvimento de um método de dosagem para MAF (Kim et al., 2003), diversos pesquisadores vêm desenvolvendo novos métodos ou aprimorando os existentes, tendo em vista que até hoje não está disponível um método amplamente aceito para quantificar um teor de ligante asfáltico para a MAF que seja proporcional ao da MAC. Nesta pesquisa, será avaliada a viabilidade do emprego do método da superfície específica, utilizado para estimar o teor inicial de ligante asfáltico na dosagem de misturas betuminosas (DER M148-60), com o intuito de determinar o teor inicial de ligante asfáltico da MAF. Se esta hipótese for constatada, o procedimento de dosagem das MAFs se tornará mais prático. Os corpos de prova serão compactados no Compactador Giratório SUPERPAVE (CGS), utilizando um critério de interrupção do processo de compactação a ser definido posteriormente. As MAFs serão envelhecidas a curto prazo conforme a norma AASHTO R30, que prescreve que o material seja condicionado em estufa não-ventilada por 4 horas a 135 ± 3ºC antes do procedimento de compactação. Para simular o envelhecimento a longo prazo, as MAFs serão condicionados em estufa ventilada a 85 ºC por 120 horas (Harigan et al. 1994). Os ensaios de fadiga serão realizados no reômetro de cisalhamento dinâmico sob deformação controlada. Primeiramente, será realizado um ensaio na faixa de viscoelasticidade linear (baixas deformações), com amplitudes da ordem de 0,0065%, dois níveis de frequência (10 Hz e 30 Hz) e temperatura de 25 ºC para obtenção do módulo complexo (G*) e do ângulo de fase (δ) e assim calcular o parâmetro de pseudodeformação. Em seguida, considera-se uma amplitude de deformação maior (da ordem de 0,2 %) para reproduzir o dano por fadiga e determinar o número de ciclos que as MAFs suportam até a ruptura. A ruptura será definida no ponto em que se observa uma queda brusca do módulo dinâmico ou do ângulo de fase.

5 Com o cálculo do módulo de referência (G R ) e dos parâmetros W R1 (dano que provoca um aumento no ângulo de fase e um aumento na área do ciclo de histerese em relação ao módulo de referência que representa o material intacto), W R2 (energia não-uniforme dissipada no ciclo de histerese) e W R3 (diferença da pseudorrigidez do material intacto com a do material danificado), e a construção do gráfico W R1 +W R2 +W R3 em função do número de ciclos, é possível determinar o valor do índice de crescimento da trinca, R(Nf), utilizado como parâmetro de comparação entre as diferentes MAFs estudadas. Agradecimento Os autores agradecem ao Instituto de Transporte e Logística (ITL) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela bolsa de doutorado concedida à primeira autora. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Balbo, J.T. (2007). Pavimentação asfáltica: materiais, projetos e restauração. 1ª ed. Oficina de Textos, São Paulo, SP. Baumgardner, G.L. (2012). Why and How of Polyphosphoric Acid Modification: an Industry Perspective. Transp. Res. Circular E-C160, Transportation Research Board, Washington, D.C., Castelo Branco, V.T.F. (2008). An Unified Method for the Analysis of Nonlinear Viscoelasticity and Fatigue Cracking of Asphalt Mixes Using the Dynamic Mechanical Analyzer. Tese de Doutorado, Texas A&M University. College Station Texas, p. 221 Choubane, B.; Sholar, G.A.; Musselman, J.A.; Page, G.C. (1999). Ten-Year Performance Evaluation of Asphalt- Rubber Surface Mixes. Transportation Research Record No. 1681, Washington, D.C., p Epps, J.A. (1994). Uses of Recycled Rubber Tires in Highways. NCHRP Synthesis of Highway Practice, n.198, Transportation Research Board, Washington, D.C. Goodrich, J.L. (1988). Asphalt and Polymer Modified Asphalt Properties Related to the Performance of Asphalt Concrete Mixes. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, v.57, Association of Asphalt Paving Technologists, Minessota, p Goodrich, J.L. (1991). Asphaltic Binder Rheology, and Asphalt Concrete Mix Properties. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, v.60, Association of Asphalt Paving Technologists, Minessota, p Gubler, R.; Liu, Y.; Anderson, D.A.; Partl, Manfred N. (1999). Investigation of the System Filler and Asphalt Binders by Rheological Means. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, v.68, Association of Asphalt Paving Technologists, Minessota, p Hanson, D.I.; Foo, K.Y.; Brown, E.R.; Denson, R. (1994). Evaluation and characterization of rubber-modified hot mix asphalt pavement. Transportation Research Record No. 1436, Washington, D.C., p Harigan, E. T.; Leahy, R. B.; Youtcheff, J. S. (1994). The Superpave Mix Design System Manual Of Specifications, Test Methods, And Practices, SHRP-A-379, Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, DC. Huang, Y.H. (2004). Pavement Analysis and Design (2 a ed). Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. Kim, Y.R.; Little, D.N.; Lytton, R.L. (2003). Fatigue and Healing Characterization of Asphalt Mixtures. Journal of Materials in Civil Engineering, v.15, No. 1, American Society of Civil Engineers, Virginia, p Medina, J. (1997). Mecânica dos Pavimentos. 1ª ed. COPPE/ UFRJ, Rio de Janeiro. Navarro, F.J.; Partal, P.; Martínez-Boza, F.; Valencia, C.; Gallegos, C. (2002). Rheological Characteristics of Ground Tire Rubber-Modified Bitumens. Chemical Engineering Journal, v.89, No. 1-3, p Park, H.M.; Choi, Y.J.; Lee, J.H.; Hwang, E.Y. (2009). Performance Evaluation of a High Durability Asphalt Binder And a High Durability Asphalt Mixture For Bridge Deck Pavement. Construction and Building Materials, v.23, No. 1, p Smith, B.J.; Hesp, S.A.M. (2000). Crack Pinning in Asphalt Mastic and Concrete. Transportation Research Record. No. 1728, Washington, D.C., p Tan, Y.; Shan L.; Li, X. (2007). Fatigue Characteristic of Asphalt. Symposium on Pavement Mechanics and Materials, p Endereço dos autores: Andressa Ka Yan NG e Adalberto Leandro Faxina Departamento de Engenharia de Transportes, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Avenida Trabalhador São-Carlense, 400, Centro, São Carlos, SP, Brasil, , andressang@usp.br e alfaxina@sc.usp.br