ANÁLISE DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS ASFÁLTICAS CONFECCIONADAS COM AGREGADOS SINTÉTICOS DE ARGILA CALCINADA

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1 ANÁLISE DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS ASFÁLTICAS CONFECCIONADAS COM AGREGADOS SINTÉTICOS DE ARGILA CALCINADA Fotografia Autor 1 30 mm 40 mm Fotografia Autor 2 30 mm 40 mm Fotografia Autor 3 30 mm 40 mm FROTA, C.A. Pós-Doutor UFAM Manaus/Brasil SILVA, C.L. Engº. Civil UFAM Manaus/Brasil NUNES, F.R.G. Engº. Civil Mestrando UFAM Manaus/Brasil SUMÁRIO As misturas asfálticas possuem um comportamento dependente do tempo de aplicação da carga e da taxa de deformação. Habitualmente, considera-se o revestimento asfáltico tendo um comportamento elástico linear, o que não permite uma simulação realista dos pavimentos. Neste artigo analisaram-se parâmetros viscoelásticos e verificou-se o efeito do envelhecimento de misturas asfálticas, em estufa. Os resultados mostraram que o aumento do envelhecimento levou: ao acréscimo da rigidez e da estabilidade Marshall, e ao decréscimo dos valores de creep e vida de fadiga. 1. INTRODUÇÃO Usualmente o comportamento elástico do revestimento asfáltico é considerado linear, não permitindo, portanto, uma simulação mais realista dos pavimentos, sobretudo quanto à previsão de trincamento por fadiga e devido à deformação permanente [1]. No presente artigo obtiveram-se os parâmetros viscoelásticos de uma mistura asfáltica, confeccionada com agregados sintéticos de argila calcinada (ASAC), e dosada através do Método Marshall [2]. Estudou-se o envelhecimento realizado em estufa não ventilada através Trabalho V- 047

2 de ensaios de creep, além do ensaio Marshall. Para verificação da potencialidade do solo à calcinação realizaram-se os experimentos prescritos pela norma do DNIT. Para os agregados e o material de enchimento realizaram-se os ensaios de densidade e granulometria. O ligante (CAP 20) foi caracterizado por meio dos experimentos tradicionais. Os ensaios seguiram as seguintes normas e métodos de ensaios do Departamento Nacional de Infra-Estrutura e Transporte (DNIT, antigo DNER) e Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT): DNER ME 223/94 [3], DNER ME 225/94 [4], DNER ME 222/94 [5], NBR 7181 [6], NBR 6459 [7], NBR 7180 [8], NBR 9776 [9] e NBR 6474 [10]. 2. METODOLOGIA A caracterização física e mecânica das mistura asfálticas foi alcançada observando-se as seguintes etapas: Levantamento bibliográfico; Confecção de agregados sintéticos de argila calcinada; Caracterização dos agregados e do ligante; Definição do teor do ligante de projeto; Moldagem de corpos de prova; Realização dos ensaios de compressão uniaxial estática (creep estático) e Marshall; Análises dos resultados obtidos. 2.1 Confecção de Agregados sintéticos de argila calcinada A região onde se localiza a Província Petrolífera de Urucu no estado do Amazonas apresenta grave deficiência de material pétreo necessitando, portanto, de alternativas viáveis que possam vir a suprir tal deficiência. Os solos superficiais predominantes nessas regiões são de matriz argilosa e com os quais foram confeccionados os agregados sintéticos de argila calcinada (ASAC). Esse material foi coletado na Estrada Porto Hélio, da Base de Operações Geólogo Pedro de Moura Província Petrolífera de Urucu, próximo a Ponte do Tamanduá. Verificou-se a potencialidade á calcinação dessa argila pela realização dos seguintes ensaios: granulometria com sedimentação, limites de Atterberg, Abrasão Los Angeles, determinação da Perda de Massa após Fervura e seleção expedita pelo Processo de Fervura. Os resultados desses experimentos são apresentados na Tabela 1 (agregados de argila calcinada) e na Tabela 2 (argila em estado natural).

3 Tabela 1 Características dos agregados de argila calcinada (ASAC). Característica Método Especificação Resultado Unid. Volume e consistência Volume e Seleção expedita pelo DNER-ME não devem sofrer consistência não - Processo de Fervura 223/94 [3] alteração sofrerão alteração Perda de Massa após fervura Abrasão Los Angeles DNER-ME 225/94 [4] DNER-ME 222/94 [5] 10 máx. 0,14 % 45 máx. 43,50 % Tabela 2 Características da argila em estado natural. Granulometria com sedimentação NBR 7181 [6] d (mm) % passando Material % do material 50, ,0 20,0 <Pedregulho grosso 38, ,0 <60,0 25, ,0 0,00 19, ,0 6,0<Pedregulho 9, ,0 médio<20,0 0,00 4, ,0 2, ,0 2,0<Pedregulho fino<6,0 0,00 1, ,9 0,60<Areia grossa<2,0 0,23 0, ,8 0, ,6 0,20<Areia média<0,6 0,29 0, ,6 0, ,4 0, ,6 0,06< Areia fina <0,20 13,15 0, ,9 0, ,9 0, ,7 0, ,3 0, ,0 0, ,8 0,002 < Silte < 0,06 42,59 0, ,7 0, ,6 0, ,6 0, ,4 0, ,6 0, ,1 Argila < 0,002 43,74 Característica Método Especif. Result. Unidade % passando em 0,075mm NBR 6502[11] 85 min. 86,33 % Índice de plasticidade (IP) NBR 7180 [8] 20 min. 24,50 %

4 Verifica-se na Tabela 2 que a porcentagem de finos foi de 86,33%, atendendo, portanto, as recomendações mínimas de 85% para uso como ASAC, segundo a ABNT (NBR 6502) [11]. O IP foi de 24,50% e segundo Jenkins [12], a argila se classifica como altamente plástica, podendo assim, com relação a esse parâmetro, ser utilizada para a confecção de ASAC. O processo adotado para a fabricação dos agregados foi manual, exigindo os seguintes procedimentos: Homogeneização da argila com adição de água; Moldagem de cilindros medindo em torno de15cm de diâmetro e 20 cm de altura; Introdução de telas na direção vertical dos cilindros moldados, cujas malhas possuem aberturas conforme a dimensão a ser obtida para as partículas; Realização de cortes na direção horizontal utilizando-se fios de nylon; Secagem dos agregados ao ar livre; Calcinação (queima) em forno elétrico, tipo mufla, a aproximadamente 900ºC. 2.2 Caracterização dos agregados, filler e ligante As mistura asfálticas foram confeccionadas utilizando-se: o ligante Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP 20) e os agregados de argila calcinada e aqueles rotineiramente usados pela Petrobrás em Urucu, na confecção dos pavimentos de seu sistema viário. Trata-se de dois tipos de areias, uma de predominância média (Areia 1) e outra de predominância fina (Areia 2). Como filler, foi usado o cimento Portland. Na Tabela 3 e na Figura 1 estão apresentadas as características quanto a granulometria e densidade de tais agregados e do filler. As densidades reais foram determinadas através da ABNT NBR 9776 [9] e NBR 6474 [10], e os valores alcançados aproximaram-se dos valores geralmente obtidos para materiais de natureza semelhante.

5 Tabela 3 Características dos agregados e do filler. Análise Granulométrica - NBR 7181 [3] % Passando, em peso Abertura da malha da peneira (mm) Cimento Portland Areia 1 Areia 2 Argila Calcinada 19, , , , , , , , Densidade real dos agregados (g/cm³) NBR 9776 [9] Densidade real do filler (g/cm³) NBR 6474 [10] - 2,632 2,625 2,526 3, Análise Granulométrica % passando ,0100 0,1000 1, , ,0000 Diâmetro das partículas (mm) Areia 1 Areia 2 Cimenti Portland Argila Calcinada Figura 1: Granulometria dos agregados e do filler.

6 2.3 Dosagem da Mistura As porcentagens máximas e mínimas dos agregados empregadas na mistura foram determinadas através do Método DNER ES 313/97 [13], por meio da faixa C (Tabela 4), pelo fato da mesma ser destinada a uma camada de rolamento. Tabela 4 Faixa C para CBUQ. Peneiras % passando, em peso Tolerâncias Faixa da Faixa C fixas de Nº mm Mistura Mínimo Máximo projeto 3/4" 19, ± 7% 100 1/2" 12, ± 7% 95 3/8" 9, ± 7% , ± 5% , ± 5% , ± 5% , ± 2% , ± 2% 6 Tal mistura foi obtida utilizando-se as seguintes porcentagens de materiais: 55% de ASAC, com diâmetro máximo dos agregados de 19,1mm, 31% de Areia 1, 9% de Areia 2 e 5% de filler. A Figura 2 mostra que a curva granulométrica obtida enquadrou-se na Faixa C determinada. Enquadramento da Mistura % Passando ,010 0,100 1,000 10, ,000 Peneiras (mm) Faixa C mín Faixa C máx Mistura Figura 2: Enquadramento da mistura com cimento Portland na Faixa C do DNIT.

7 Os corpos de prova foram compactados de acordo com o Método Marshall [2], cujos critérios de dosagens estabelecidos (Figura 3) estão de acordo com a Tabela 5. O teor ótimo de ligante foi de 6,5%, sendo que o valor da Densidade Máxima Teórica DMT da mistura foi obtido através de ensaio. Índices Físicos da Mistura 80,0 75,0 (%) 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 16,0 12,0 4,0 Índices Físicos Índice de Vazios Vazios Cheio de Betume Vazios no Agregado Mineral Relação Betume/Vazios Figura 3: Índices Físicos das Misturas. Tabela 5 Critério de Dosagem Marshall. Parâmetros Camada de Rolamento Critérios estabelecidos Valores obtidos Índice de vazios Vv 3 a 5% 4% Relação Betume/Vazios RBV 75 a 82% 75% Vazios no Agregado Mineral VAM (mínimo) 13% 16% O ensaio de compressão diametral, através do qual se determinou os valores de Estabilidade e Fluência Marshall, foi realizado para os corpos de prova sem envelhecimento e envelhecidos, durante o período de 8 e 24h em estufa não ventilada, a uma temperatura de 60ºC. 2.4 Envelhecimento dos corpos de prova As misturas asfálticas quando expostas à elevada temperatura e precipitação tornam-se mais rígidas, devido às alterações em suas propriedades, acrescendo a resistência às deformações permanentes em função da melhor distribuição de cargas no pavimento, ao mesmo tempo tornam-se mais frágeis e quebradiças tendendo à formação de trincas.

8 Ocorrem, em geral, duas fases no processo de envelhecimento dessas misturas [14]. A primeira fase acontece em curto prazo, durante a construção do revestimento, com a mistura ainda quente, pela oxidação do asfalto e perda de componentes voláteis. A segunda fase acontece em longo prazo, durante a vida útil do revestimento em campo, ocorrendo pela ação da radiação solar que atua na oxidação dos componentes do ligante e pela perda de componentes oleosos por absorção do agregado. Quanto a melhor maneira de se realizar simulações de envelhecimento tem-se ainda discordâncias ([15] e [16]), em especial em longo prazo, devido à falta de dados que relacionem estudos em laboratório com o comportamento em campo [14]. O ligante quando submetido a altas temperaturas possui um mecanismo de envelhecimento bastante diferente daquele que ocorre a baixas temperaturas, por conseguinte, ensaios acelerados que simulem esta fase do fenômeno acarretam resultados que não representam o real desempenho em campo [14]. 2.5 Ensaio de Compressão Uniaxial Estática O ensaio de compressão uniaxial estático (creep estático) foi utilizado como parâmetro de comparação entre as misturas envelhecidas em estufa não ventilada, a uma temperatura de 60ºC e durante períodos de 8 e 24h, com aquelas sem envelhecimento. Para a realização de tal experimento foi empregada uma prensa computadorizada que mantém constante a pressão nas faces dos corpos de prova, tendo um LVDT que mede os deslocamentos axiais em tempos da ordem de 0,3s, com precisão de dois algarismos significativos. A tensão (σ) estabelecida para aplicação sobre o corpo de prova foi de 0,3MPa, uma vez que tal pressão é inferior à normalmente utilizada para inflar os pneus, destarte não devendo causar trincas nos mesmos durante a realização do ensaio. Para garantir a distribuição uniforme da tensão aplicada os corpos de prova tiveram suas faces lixadas, com auxílio de uma lixadeira elétrica. Cada corpo de prova foi ensaiado por um período 4h de carregamento e 1h de descarregamento, a uma temperatura de 27ºC. A partir das leituras de deslocamentos verticais foram obtidas as deformações específicas, que relacionadas com a tensão (σ), forneceram valores de creep de acordo com a equação: ε ( t) D ( t) = σ onde, D(t) = creep, ε(t) = deformação específica e σ = tensão Para uma amostra considerada elástica espera-se que o comportamento da curva de evolução das deformações, em ensaios estáticos de compressão, tenha o patamar de creep reduzido a um valor nulo, tão logo cesse a aplicação da carga. No entanto como nas misturas asfálticas o comportamento não é elástico, observa-se nos resultados dos ensaios de creep, na fase de carregamento e na fase de descarregamento, a formação de duas zonas diferenciadas de deformação com o passar do tempo (Figura 6). A primeira zona ocorre no início da fase de carregamento, com a compressão dos vazios presentes nos corpos de prova, a uma taxa decrescente de deformação. O coeficiente angular formado na região é, em geral, diretamente proporcional à rigidez da mistura. Na segunda zona, as deformações acontecem por conta dos esforços cisalhantes atuantes nas interfaces dos agregados. Neste caso, é de se esperar que o

9 coeficiente angular formado seja diretamente proporcional à rigidez da mistura. Na fase de descarregamento observou-se, ainda, que a função torna-se constante somente após um longo período de tempo, o que levou a limitar-se o mesmo em 5h. 3. RESULTADOS Figura 4 Prensa computadorizada Podem-se visualizar os resultados do ensaio Marshall na Tabela 6 e na Figura 5. Tal ensaio mostra um aumento na estabilidade da Mistura e uma diminuição da fluência, com o aumento do tempo de envelhecimento, indicando assim que esse processo afeta a rigidez da mistura. Tabela 6 Índices Físicos. Parâmetros Especificação Tempo de envelhecimento DNER ES 313/97 [13] 0h 8h 24h Estabilidade mínima 3433,5 N (75 golpes) Fluência 2,00 4,50mm 3,50 3,25 3,00 Estabilidade e Fluência Marshall Estabilidade (N) ,75 3,63 3,50 3,38 3,25 3,13 3,00 2,88 2,75 Fluência (mm) Tempo de envelhecimento (h) Estabilidade Fluência Figura 5: Índices Físicos. Na Tabela 7 e na Figura 6 mostram-se os valores de creep para os corpos de provas ensaiados com e sem envelhecimento, para 8h e 24h. Observa-se, em ambas, a redução dos valores de creep com o aumento do tempo de envelhecimento. Por conseguinte, as misturas envelhecidas, conseqüentes da saída dos componentes químicos da fração viscosa do compósito, demonstraram uma rigidez maior, sendo que este aumento foi proporcional ao tempo de envelhecimento. Tal desempenho, também, pode ser evidenciado pelo fato do patamar próximo dos valores constantes mostrarem valores menores de deformação. A vida de fadiga do revestimento proporciona um decréscimo em função do aumento da rigidez, levado pelo

10 envelhecimento do ligante nas misturas, tornando-o mais susceptível a micro trincas quando solicitado pelo tráfego. Tabela 7 Valores de Creep. Tempo (s) Creep 0h 8h 24h Carregamento ,3 5,0277E-07 4,94572E-07 4,97151E ,08663E-05 1,73067E-05 9,44586E ,5195E-05 2,59623E-05 2,03832E ,02231E-05 3,06613E-05 2,48575E ,27369E-05 3,31341E-05 2,73433E ,39937E-05 3,41222E-05 2,78404E-05 Descarregamento 14400,3 4,34909E-05 3,31319E-05 2,73433E ,77077E-05 2,25069E-05 1,8648E ,36863E-05 2,0772E-05 1,61593E ,1424E-05 1,97807E-05 1,44174E ,99161E-05 1,92872E-05 1,29259E ,99161E-05 1,90405E-05 1,29259E-05 CREEP 1,00E-04 CREEP (kpa-¹) 1,00E-05 1,00E-06 1,00E-07 0, TEMPO (s) 0h 8h 24h

11 Figura 6: Curvas de Creep. 4.0 CONCLUSÕES A partir da análise dos resultados pode-se chegar às seguintes conclusões: O aumento do tempo de envelhecimento contribui para o aumento da rigidez da mistura, por meio da perda de voláteis do ligante; O aumento da rigidez proporciona a diminuição das deformações específicas e conseqüentemente dos valores de creep; A vida de fadiga é reduzida devido ao aumento da rigidez, facilitando assim o aparecimento de trincas no revestimento em serviço. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Frota, C. A. et al. Estudo do envelhecimento no comportamento mecânico de misturas asfálticas confeccionadas com agregados sintéticos, 36ª Reunião Anual de Pavimentação, [2] DNER ME 043/95 Misturas betuminosas a quente Ensaio Marshall. Departamento Nacional de Estradas de Rodagens, atual Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transporte, [3] DNER ME 223/94 Argilas para a fabricação de agregados sintéticos de argila calcinada Seleção expedita pelo Processo de Fervura. Departamento Nacional de Estradas de Rodagens, atual Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transporte, [4] DNER ME 225/94 Agregado sintético de argila calcinada Determinação da Perda de Massa após Fervura. Departamento Nacional de Estradas de Rodagens, atual Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transporte, [5] DNER ME 222/94 Agregado sintético fabricado com argila Desgaste por Abrasão. Departamento Nacional de Estradas de Rodagens, atual Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte, [6] NBR 7181 Solo Análise granulométrica. Associação Brasileira de Normas Técnicas, [7] NBR 6459 Determinação do limite de liquidez. Associação Brasileira de Normas Técnicas, [8] NBR 7180 Determinação do limite de plasticidade. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1984.

12 [9] NBR Agregados Determinação da massa específica de agregados miúdos por meio do frasco de Chapman. Associação Brasileira de Normas Técnicas, [10] NBR 6474 Cimento Portland e outros materiais em pó Determinação da massa específica. Associação Brasileira de Normas Técnicas, [11] NBR 6502 Rochas e Solos. Associação Brasileira de Normas Técnicas, [12] Caputo, Homero Pinto. Mecânica dos Solos e suas aplicações. 6ª edição. Rio de Janeiro: LTC, V 1, 2 e [13] Instituto de Asfalto. Manual de Asfalto. Série do Manual Nº. 4, Edição, [14] GRECO, J.A.S. Avaliação da Influência de Alguns Fatores nas Propriedades Mecânicas de Misturas Asfálticas Densas, à Luz da Técnica de Planejamento e Análise de Experimentos Fatorais Fracionários Assimétricos. São Carlos: Departamento de Estradas do Departamento de Transportes da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. Tese (Doutorado), [15] BELL, C.A. A Summary Report on Aging of Asphalt-Aggregate Systems. Report SR- OSU-A-003A Oregon State University, [16] BELL, C.A. et a). Selection of Laboratory Aging Procedures for Asphalt-Aggregate Mixtures. SHRP-A-383. Oregon State University, 1989.