ESTUDO DE FADIGA EM LABORATÓRIO DE MISTURAS ASFÁLTICAS MORNAS COM UTILIZAÇÃO DE ENSAIOS DE TRAÇÃO INDIRETA POR COMPRESSÃO DIAMETRAL

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1 ESTUDO DE FADIGA EM LABORATÓRIO DE MISTURAS ASFÁLTICAS MORNAS COM UTILIZAÇÃO DE ENSAIOS DE TRAÇÃO INDIRETA POR COMPRESSÃO DIAMETRAL Marlova Johnston 1, Gracieli Bordin Colpo 1, Lélio Antônio Teixeira Brito 1, Jorge Augusto Pereira Ceratti 1, Renan Ribeiro 2 1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS/LAPAV), Porto Alegre/RS Brasil, 2 MWV Specialty Chemicals, Campinas, Brasil, marlova.johnston@ufrgs.br, grabc@hotmail.com, lelio.brito@ufrgs.br, jorge.ceratti@ufrgs.br, renan.ribeiro@mwv.com Resumo As misturas asfálticas mornas possibilitam a preservação do meio ambiente através da diminuição da emissão de gases poluentes, redução dos gastos com combustível e melhorias nas condições de trabalho, em função da redução da temperatura de compactação. E por esta razão vem conquistando crescente espaço no mercado da pavimentação mundial. Neste trabalho a mistura morna foi obtida com a adição de um aditivo surfactante em forma líquida no ligante reduzindo o atrito interno na mistura e permitindo um melhor recobrimento e uma melhor compactação em temperaturas mais baixas do que àquelas utilizadas nas misturas convencionais. Uma vez que, um dos defeitos mais comum nos pavimentos é o trincamento por fadiga do revestimento asfáltico, devido à repetição de cargas de tráfego da rodovia, o presente trabalho apresenta uma análise, realizada em laboratório, do comportamento da vida de fadiga através do ensaio de tração por compressão diametral de uma mistura morna e outra mistura quente (convencional), usada como referência para avaliação deste comportamento. As misturas foram também testadas com e sem condicionamento de duas horas em estufa para análise adicional deste efeito. Para o estudo foram moldados corpos de prova com o mesmo teor de ligante e com volume de vazios semelhantes (volume de vazios de projeto ± 0,3%), através do método Marshall. Com os resultados obtidos observou-se comportamento semelhante entre as misturas estudadas, levando a modelos de fadiga, de laboratório, de características próximas, não havendo efeito significativo no comportamento das misturas com e sem duas horas de condicionamento. Palavras chave: Misturas mornas, Fadiga, Volume de vazios. 1 Introdução As misturas asfálticas mornas (Warm Mixes Asphalt WMA) são misturas de concreto asfáltico (CA) produzidas a temperaturas mais baixas do que as temperaturas tipicamente utilizadas na produção de misturas asfálticas quentes (Hot Mixes Asphalt HMA) [1]. Os processos de mistura WMA, geralmente, possibilitam a cobertura completa dos agregados minerais a temperaturas até 50 C mais baixas do que as técnicas convencionais de mistura de asfalto a quente (CBUQ). Algumas tecnologias de mistura asfáltica morna têm diferentes mecanismos que agem reduzindo as dificuldades de compactação, associadas à queda de temperatura nas misturas

2 durante a obra, além de reduzir o risco de má compactação em misturas rígidas. Isso possibilita um melhor desempenho no campo e melhor qualidade no pavimento. A redução de até 45% no consumo de óleo combustível no processo de aquecimento dos agregados oferecida pelas misturas mornas atuais possibilita quase eliminar as emissões de VOC (compostos orgânicos voláteis) e de fumaça (material particulado), que são extremamente poluentes e nocivos ao meio ambiente e à saúde do trabalhador, com destaque para a grande diminuição de emissão de CO2. Atualmente, a crescente preocupação com a vida útil dos pavimentos em função do aumento das solicitações do tráfego, faz com que haja a necessidade da utilização de ligantes asfálticos modificados com polímero ou borracha, que requerem uma temperatura de usinagem ainda maior, tornando o uso de misturas mornas mais pertinente [2]. Para que o uso de misturas asfálticas mornas seja mais difundido suas características de desempenho precisam ser semelhantes as encontradas nas misturas quentes. Uma vez que, um dos defeitos mais comum nos pavimentos é o trincamento por fadiga no revestimento asfáltico, devido à repetição de cargas de tráfego na rodovia, este fenômeno deve ser considerado no projeto de uma mistura asfáltica a ser utilizada na camada de revestimento de um pavimento rodoviário permitindo, assim, conhecer quando o fenômeno da fadiga poderá ocorrer durante o período de serviço do pavimento construído [3]. Em função disto, este trabalho tem como objetivo estudar o comportamento à fadiga de uma mistura morna (WMA) e uma mistura quente (HMA) utilizando o ensaio de tração indireta por compressão diametral. 2 Materiais e métodos Os materiais utilizados nesta pesquisa, como agregados minerais e ligantes asfálticos foram caracterizados através de diversos ensaios laboratoriais normatizados. Todos os ensaios foram realizados no Laboratório de Pavimentação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul LAPAV/UFRGS. 2.1 Materiais Os agregados minerais utilizados nesta pesquisa são provenientes de uma pedreira localizada no km 30 da BR-290-RS, sendo de origem basáltica da formação Serra Geral. As propriedades dos agregados analisados, as normas para execução dos ensaios referentes a estas propriedades, os limites especificados e os resultados destes ensaios estão apresentados nas Tabelas 1 e 2. Tabela 1. Ensaios de aceitação dos agregados utilizados no estudo. Propriedade Método Especificação [4] Resultado Índice de Forma DNER-ME 086/94 > 0,5 0,8 Equivalente de Areia DNER-ME 054/97 55% 85% Adesividade à Ligante Betuminoso DNER-ME 078/94 Satisfatório Satisfatório Desgaste à Abrasão DNER-ME 035/98 50% 10% Durabilidade DNER-ME 089/94 12% 6,1

3 Tabela 2. Características dos agregados utilizados na pesquisa. Propriedade Método Resultados 3/4 3/8 Pó de pedra Massa Esp. Real- Agregado Graúdo (kg/m³) DNER-ME 081/ Massa Esp. Real- Agregado Miúdo (kg/m³) DNER-ME 084/ Massa Esp. Aparente do Grão (kg/m³) DNER-ME 081/ Absorção (%) DNER-ME 081/98 0,85 1,09 1,00 Massa Esp. Solta do Agregado Graúdo (LUW) (kg/m³) AASHTO T Massa Esp. Compactada do Agregado (RUW) (kg/m³) AASHTO T Nas misturas utilizadas nesta pesquisa empregou-se o cimento asfáltico de petróleo convencional (CAP 50/70). A mistura morna (WMA) foi obtida através da modificação do CAP 50/70, com adição de 0,4% de aditivo surfactante Evotherm TM. O Evotherm TM é um aditivo químico surfactante que é adicionado diretamente ao CAP, o que facilita a sua utilização, quando comparado a outras tecnologias de produção de WMA. Este aditivo permite uma redução de até 75ºC na temperatura de aplicação em campo, o que pode trazer benefícios ambientais, como a redução da emissão de gases poluentes, diminuição da exposição dos trabalhadores aos fumos do asfalto, e ainda benefícios ao desempenho, devido ao menor envelhecimento do ligante durante o processo de usinagem [4, 5]. Na Tabela 3 encontram-se os resultados das principais propriedades do CAP 50/70 sem modificação e modificado com Evotherm TM. Os valores obtidos nos ensaios realizados em uma amostra do CAP 50/70, sem e com modificação, atenderam às especificações. Os resultados do CAP 50/70 com aditivo se apresentaram semelhantes aos resultados do CAP 50/70 sem aditivo, indicando que o Evotherm TM não modifica as propriedades do ligante. Tabela 3. Principais propriedades do CAP 50/70 sem e com Evotherm TM. Propriedade Método Especificação CAP 50/70 Resultados CAP 50/70 Resultados CAP 50/70 + Evotherm Ponto de Amolecimento (ºC) NBR mín Penetração (0,1mm) NBR Densidade (g/cm³) NBR ,957 1,017 Viscosidade Brookfield 135ºC (cp) NBR mín Viscosidade Brookfield 150ºC (cp) NBR mín Viscosidade Brookfield 177ºC (cp) NBR A mistura asfáltica a quente (HMA) foi dosada seguindo os procedimentos estabelecidos pelo método Marshall, utilizando a compactação por impacto. Após determinar o teor de ligante de projeto da mistura HMA desenvolveu-se a mistura morna (WMA), empregando o aditivo surfactante Evotherm TM. A mistura WMA consiste na utilização do mesmo teor de ligante de projeto da HMA, porém adicionando o aditivo no ligante asfáltico é possível obter uma redução de aproximadamente 30 C nas temperaturas de mistura e compactação. A composição granulométrica estabelecida para as misturas buscou enquadrar o material próximo ao centro da faixa C do DNIT e dentro dos limites da faixa de trabalho, apresentando diâmetro máximo dos agregados de 19 mm (Figura 1).

4 Figura 1. Composição granulométrica estabelecida paras as misturas estudadas. Para as verificações propostas neste estudo, a dosagem das misturas asfálticas foi realizada de duas maneiras distintas, através da divisão em dois grupos: um grupo foi submetido ao período de condicionamento em estufa de duas horas após o procedimento de mistura e outro grupo não foi submetido ao período de condicionamento, sendo as amostras compactadas logo após o processo de mistura. Salienta-se que o condicionamento das misturas em estufa durante o período de duas horas é utilizado com o objetivo de promover a absorção do ligante e o seu enrijecimento, procurando simular os processos que ocorrem em campo [1]. Na Tabela 4 estão resumidas as propriedades finais das misturas asfálticas estudadas. Propriedades Tabela 4. Resumo das propriedades das misturas HMA e WMA. Especificações [6] Mistura HMA Mistura WMA Mistura HMA 2h Mistura WMA 2h Teor de Betume (%) -- 5,5 5,5 5,7 5,7 Volume de Vazios (%) 3 a 5 4,3 4,6 4,3 4,2 Relação Betume Vazios (%) 75 a 82 76, ,9 78,17 Vazios do Agregado Mineral (%) > 15 18,2 18,5 18,6 18,32 Massa Esp. Max. Medida (kn/m³) -- 2,532 2,527 2,506 2,504 Massa Esp. Aparente (kn/m³) -- 2,425 2,411 2,398 2,404 Estabilidade (kgf) > Fluência (1/100 in) 8 a 18 12,4-9,3 - Resistência à Tração > 0,65 0,65 0,81 0,93 0,67 Módulo de Resiliência Relação Mr/Rt (adm) Relação Est/Fluência (kgf.m) Relação Filler/Betume (%) 0,6 a 1,6 1,03 1,03 1,03 1,03 Resistência Retida à Tração (%) > 70% 91,30% Ensaio de tração indireta por compressão diametral procedimento No Brasil, o ensaio laboratorial comumente empregado para analisar a vida de fadiga das misturas asfálticas é o de tração indireta por compressão diametral em corpos de prova cilíndricos. Este ensaio é realizado à tensão controlada, com uma frequência geralmente de 1Hz e temperatura de 25ºC, sendo os corpos de prova carregados por compressão, atuando paralelamente ao plano

5 diametral vertical desenvolvendo, assim, uma tensão de tração uniforme no corpo de prova, perpendicular à direção de aplicação da carga e ao longo do plano diametral vertical. Os ensaios de fadiga desta pesquisa foram realizados no equipamento de tração indireta por compressão diametral pertencente ao Laboratório de Pavimentação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul Lapav/UFRGS, sendo possível monitorar o comportamento da carga em função do deslocamento e o módulo de resiliência (MR) por compressão diametral em função do número de ciclos através do sistema SEEPAV A Figura 2 mostra a câmara climática e o sistema de carregamento do equipamento de tração indireta por compressão diametral para determinar a vida de fadiga de misturas asfálticas, e a Figura 3 mostra o sistema de aquisição e controle de dados do SEEPAV Figura 2. Câmara climática e sistema de carregamento do equipamento de tração indireta por compressão diametral para realização dos ensaios de fadiga. Figura 3: Sistema de aquisição e controle de dados do SEEPAV Para os ensaios tração indireta por compressão diametral à tensão controlada, realizados nesta pesquisa, utilizou-se corpos de prova cilíndricos moldados de acordo com a metodologia Marshall, com diâmetro de 10,20 cm e altura variando entre 5,6 e 6,7 cm. Ao aplicar o carregamento, com tempo de 0,1 segundo e 0,9 segundo de repouso, o corpo de prova de mistura asfáltica sofre deformações horizontais, as quais são medidas por um LVDT,

6 ligado a um microcomputador. Procederam-se à gravação de carga, deslocamento e monitoramento do módulo de resiliência por compressão diametral ao longo de toda a vida de fadiga das amostras ensaiadas, sendo que o critério empregado para finalização do ensaio foi a redução em 50% do MR inicial. Os corpos de prova foram submetidos a diferentes níveis de tensão, proporcionais a resistência à tração (RT) estática, entre 10% e 40% da RT. A forma de carregamento empregada foi semiseno-verso (haversine) e os deslocamentos horizontais foram medidos através de um LVDT de ponta retrátil coladas no corpo de prova com resina epóxi, no mínimo 24 horas de antecedência do início dos ensaios. Os ensaios foram realizados sob temperatura de 25 C em estufa termocontrolada. O coeficiente de Poisson foi fixado em 0,30 para temperatura de 25ºC, conforme recomendação de norma [7]. 3 Resultados 3.1 Resultados de fadiga das misturas HMA e WMA sem condicionamento As amostras da mistura HMA ensaiadas apresentaram volume de vazios entre 4,8 e 6,2% e a resistência à tração média considerada no ensaio foi de 0,65 MPa (resistência à tração média encontrada no ensaio de resistência à tração). Já as amostras da mistura WMA apresentaram volume de vazios entre 5,4% e 6,2% e a RT considerada no ensaio foi de 0,81 MPa. Em ambos os casos, os corpos de prova foram submetidos a níveis de tensão, proporcionais a resistência à tração estática, de 10%, 20%, 30% e 40% da RT. As Tabelas 5 e 6 apresentam o resumo das características das amostras das misturas HMA e WMA sem condicionamento, respectivamente, utilizadas nos ensaios de fadiga por compressão diametral, como volume de vazios (Vv) e resultados obtidos no SEEPAV 8200, como tensões de tração (TT), diferença de tensões de tração e compressão (Dif.T), deformação específica inicial de tração (e), módulo de resiliência (MR) e o número de ciclos. Tabela 5. Resultados dos ensaios de tração indireta por compressão diametral - mistura HMA. Mistura HMA Vv (%) % RT TT Dif. T e (%) MR N ciclos 5,6 0,07 0,26 2,22E ,25E+06 5,7 10 0,07 0,26 1,73E ,80E+05 5,7 0,07 0,26 2,34E ,85E+05 4,9 0,13 0,52 3,78E ,52E+04 6,2 20 0,13 0,52 3,49E ,02E+04 5,8 0,13 0,52 3,76E ,52E+04 4,8 0,20 0,78 6,93E ,02E+04 5,4 30 0,20 0,78 5,92E ,16E+03 6,1 0,20 0,78 6,79E ,16E+03 4,8 0,26 1,04 1,07E ,60E+03 5,3 40 0,26 1,04 9,18E ,60E+03 5,9 0,26 1,04 8,98E ,32E+03

7 Tabela 6. Resultados dos ensaios de tração indireta por compressão diametral - mistura WMA. Mistura WMA Vv (%) % RT TT Dif. T e (%) MR N ciclos 6,2 0,08 0,32 2,38E ,02E+04 5,8 10 0,08 0,32 1,58E ,16E+03 6,0 0,08 0,32 3,58E ,02E+04 6,2 0,16 0,65 5,63E ,60E+03 5,7 20 0,16 0,65 4,30E ,02E+04 6,0 0,16 0,65 5,68E ,02E+04 6,1 0,24 0,97 1,11E ,32E+03 6,2 30 0,24 0,97 1,10E ,60E+03 5,4 0,24 0,97 1,01E ,84E+02 6,3 0,32 1,30 1,29E ,64E+02 5,9 40 0,32 1,30 1,22E ,84E+02 5,8 0,32 1,30 1,14E ,84E Resultados de fadiga das misturas HMA e WMA com condicionamento As amostras da mistura HMA com duas horas de condicionamento em estufa apresentaram volume de vazios entre 4,0 e 4,4% e a resistência à tração média considerada no ensaio foi de 0,93 MPa (resistência à tração média encontrada no ensaio de resistência à tração). Já as amostras da mistura WMA com condicionamento em estufa apresentaram volume de vazios entre 4,0% e 4,3% e a RT considerada no ensaio foi de 0,67 MPa. Em ambos os casos, os corpos de prova foram submetidos a níveis de tensão, proporcionais a resistência à tração estática, de 20%, 30% e 40% da RT. As Tabelas 7 e 8 apresentam o resumo das características das amostras das misturas HMA e WMA com condicionamento, respectivamente, utilizadas nos ensaios de fadiga por compressão diametral, como volume de vazios (Vv) e resultados obtidos no SEEPAV 8200, como tensões de tração (TT), diferença de tensões de tração e compressão (Dif.T), deformação específica inicial de tração (e), módulo de resiliência (MR) e o número de ciclos. Tabela 7. Resultados dos ensaios de tração indireta por compressão diametral - mistura HMA com duas horas de condicionamento em estufa. Mistura HMA com condicionamento Vv (%) % RT TT Dif. T MR e (%) N ciclos 4,0 0,19 0,74 7,73E ,17E ,4 0,19 0,74 9,13E ,13E+03 3,9 0,28 1,12 1,31E ,35E+02 4,4 30 0,28 1,12 1,56E ,65E+02 4,0 0,28 1,12 1,80E ,09E+03 4,2 0,37 1,49 1,95E ,70E+02 4,4 40 0,37 1,49 1,72E ,35E+02 4,0 0,37 1,49 1,36E ,25E+02

8 Tabela 8. Resultados dos ensaios de tração indireta por compressão diametral - mistura WMA com duas horas de condicionamento em estufa. Mistura WMA com condicionamento Vv (%) % RT TT Dif. T MR e (%) N ciclos 4,1 0,13 0,54 4,48E ,02E+04 4,3 20 0,13 0,54 5,16E ,02E+04 4,2 0,13 0,54 4,37E ,52E+04 4,2 0,20 0,80 8,08E ,70E+03 4,3 30 0,20 0,80 9,30E ,98E+03 4,1 0,20 0,80 1,23E ,48E+03 4,1 0,27 1,07 2,17E ,15E+02 4,0 40 0,27 1,07 1,78E ,05E+02 4,3 0,27 1,07 1,50E ,85E Comparativo das curvas de fadiga das misturas HMA e WMA sem e com condicionamento As Figuras 4, 5 e 6 apresentam o comparativo das curvas de fadiga obtidas, demonstrando que não houve grande variação no desempenho, quanto a fadiga por compressão diametral, entre as duas misturas estudadas HMA e WMA, sem e com o condicionamento de duas horas em estufa. Figura 4. Comparativo da vida de fadiga considerando a tensão de tração.

9 Figura 5. Comparativo da vida de fadiga considerando a diferença de tensões. Figura 6. Comparativo da vida de fadiga considerando a deformação específica inicial.

10 4 Considerações finais As tecnologias empregadas na produção das misturas asfálticas mornas têm diferentes mecanismos que auxiliam na redução das dificuldades de compactação, associadas à queda de temperatura nas misturas durante a obra. Há uma sensível redução do risco de má compactação pela mesma razão, o que sugere um melhor desempenho no campo e melhor qualidade nos pavimentos. Neste estudo foram realizados ensaios de fadiga utilizando o equipamento de tração indireta por compressão diametral em misturas asfálticas quentes e mornas, com o intuito de verificar o desempenho à fadiga destas misturas, além de analisar o comportamento com condicionamento de duas horas em estufa e sem este processo. Este processo avaliou duas misturas em laboratório com condições ideias de compactação para que se pudesse verificar o efeito isolado do aditivo utilizado na mistura morna sobre o comportamento de longo prazo à fadiga deste tipo de mistura. Através dos dados obtidos verificou-se um comportamento semelhante entre as misturas com vidas de fadiga bastante próximas. As pequenas variações identificadas podem ser facilmente atribuídas à variabilidade do ensaio. Os parâmetros das vidas de fadiga obtidas pelos modelos das curvas de Wöhler demonstram esta proximidade de desempenho esperado, ressaltando-se que ambas as misturas testadas são com ligante asfáltico convencional. No que tange o efeito do condicionamento da mistura durante sua produção, também não houve efeito significativo no comportamento à fadiga das misturas com e sem duas horas de condicionamento. 5 Referências [1] National Cooperative Highway Research Program. Mix design practices for warm mix asphalt. Report 691. Washington D. C.: Transportation Research Board, [2] Motta, R. S. Estudo de misturas asfálticas mornas em revestimentos de pavimentos para redução de emissão de poluentes e consumo energético. Tese (Doutorado em Engenharia de Transportes) - Departamento de Engenharia de Transportes, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, [3] Motta, L. M. G. Método de dimensionamento de pavimentos flexíveis; critérios de confiabilidade e ensaios de cargas repetidas. Tese (Doutorado). COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, [4] Prowell, B. D.; Hurley, G. C.; Frank, B. Warm-mix asphalt: best practices. Quality Improvement Series ed. Lanham: National Asphalt Pavement Association, [5] Evotherm TM Mistura Asfáltica Morna. Disponível em: < Acesso em: 22 de jun [6] Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. DNIT 031: Pavimentos flexíveis concreto asfáltico Especificação de serviço. Rio de Janeiro, [7] Associação Brasileira de Normas técnicas. NBR 16018: Misturas asfálticas Determinação da rigidez por compressão diametral sob carga repetida. Rio de Janeiro, 2012.