DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTO DE COMPACTAÇÃO POR ROLAGEM PARA LABORATÓRIO

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1 DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTO DE COMPACTAÇÃO POR ROLAGEM PARA LABORATÓRIO José Mario Cortes Chaves Amanda Helena Marcandali da Silva arteris Liedi Bariani Bernucci EPUSP Vagner Alba Hugo Florêncio arteris RESUMO Neste artigo são apresentadas as etapas e os resultados do desenvolvimento de equipamento para laboratório destinado à compactação de misturas asfálticas por rolagem. A dosagem de misturas asfálticas pelo método Marshall, vem sofrendo duras críticas, especialmente pelo processo de confecção de corpos de prova por impacto, procedimento integralmente diferente da produção de camadas asfálticas em campo, cuja compactação ocorre por rolagem. O equipamento foi desenvolvido sob a ótica da simplificação do procedimento de compactação, tendo em vista que existem equipamentos disponíveis no mercado internacional para esta finalidade, mas de modo geral, apresentam custos de aquisição consideravelmente elevados, inviabilizando a difusão e adoção do procedimento. O equipamento permite a compactação de amostras com espessuras variáveis, atendendo a solicitações distintas, tais como: (i) 63,5mm - altura de corpo de prova Marshall, (ii) 100 mm - altura de placas para ensaio em equipamento simulador de tráfego e (iii) 150 mm - altura de corpo de prova produzido por cisalhamento giratório; o procedimento com o equipamento permite ainda a utilização de agregados com diâmetro nominal superior a 19 mm. A amostras produzidas no equipamento foram comparadas no que se refere à distribuição interna dos agregados e volume de vazios, com amostras produzidas no equipamento francês LPC, da EPUSP. O equipamento desenvolvido apresentou maior capacidade de compactação, reduzindo o volume de vazios de modo mais eficiente, independente do tipo de mistura e teor de ligante adicionado. A calibração do equipamento procurou assegurar que a carga aplicada e o número de passadas conferisse homogeneidade granulométrica por toda a amostra, volume de vazios nos teores definidos e qualidade de vazios distribuídos na amostra, aproximando com maior acurácia, os comparativos entre o comportamento mecânico de amostras de campo e de laboratório. Palavras-chave: Compactação por rolagem; misturas asfálticas; dosagem; volume de vazios. 1. INTRODUÇÃO O processo de dosagem Marshall, amplamente utilizado no Brasil, tem sido extensivamente questionado por não contemplar considerações sobre os processos de danos envolvidos com a falência de misturas asfálticas em vida de serviço, assim como tem sido criticado por não fornecer informações suficiente para o desenvolvimento de projetos de misturas asfálticas duráveis, com maior segurança. Como resultado, muitos pavimentos apresentam defeitos precoces quando em serviço, sendo parte destes insucessos atribuídos a deficiências de projeto e também a aceitação de misturas por parâmetros falhos e insuficientes. Os defeitos mais frequentemente verificados nos pavimentos e que afetam significativamente as condições estruturais, funcionais e de segurança do usuário, bem como afetam a vida de serviço da estrutura são as deformações e os trincamentos de camadas asfálticas. As deformações nas camadas de revestimento podem ter origem estrutural, atribuídas à baixa capacidade de suporte de subleito, ou podem ter origem em deficiências nas misturas asfálticas aplicadas como revestimento. Os trincamentos que acometem as camadas asfálticas

2 também podem ser resultado de dosagem deficiente, combinada ou não com falhas de origem estrutural. É de conhecimento geral, que o aumento dos teores de ligante melhoram significativamente as características de resistência à fadiga enquanto reduzem significativamente a resistência à deformação permanente. O contrário também acontece, ou seja, a redução nos teores de ligante diminui a resistência à fadiga, levando a trincamentos precoces ao mesmo tempo em que aumenta a resistência à deformação permanente. O processo de dosagem deve ponderar a relação de um teor ótimo que seja suficiente para garantir que nenhum dano se sobressaia (Figura 1). Resistência à Fadiga E Deformação Permanente Resistência às Trilhas de rodas Fadiga e/ou Desagregagação Precoces Resistência à fadiga e Desagregagação Problemas com Trilhas de rodas Teor de asfalto Figura 1 Relação do teor de ligante com o desempenho das misturas asfálticas As deficiências das misturas asfálticas podem ter diferentes causas, iniciando no processo de dosagem, que deve indicar com segurança os parâmetros relativos aos mecanismos de dano da mistura em vida de serviço. Fatores ineficientes durante a produção e execução das misturas também são importantes agentes causadores de misturas de baixa qualidade. Entretanto há um grande número de insucessos acumulados nos últimos anos que apontam para problemas relacionados à etapa do processo de dosagem de misturas asfálticas. A investigação da resistência ao dano das misturas na etapa de dosagem é um fator crucial na caracterização das misturas asfálticas. A dosagem adequada de misturas asfálticas não deve se restringir apenas aos parâmetros volumétricos, mas se estender às implicações nos mecanismos de danos. O projeto de misturas asfálticas se baseia na definição e proporcionamento dos materiais constituintes, combinando agregados em características adequadas com teor de ligante igualmente em condições apropriadas. De acordo com o Asphalt Institute (2001), a composição deve produzir uma mistura econômica, que atende os limites especificados, considerando as seguintes características: (i) quantidade suficiente de ligante asfáltico para garantir a durabilidade da camada executada, (ii) rigidez adequada às solicitações do tráfego, sem a ocorrência de deformações, (iii) volume de vazios suficiente para permitir movimentações inerentes à natureza viscoelástica do material, limitando no entanto, a

3 exposição ao ar e umidade, e (iv) assegurar trabalhabilidade para a etapa de execução da camada. O desempenho do pavimento é diretamente afetado pelas características de durabilidade, resistência, flexibilidade e impermeabilidade da camada asfáltica. O teor de ligante asfáltico adicionado à mistura, objetivando satisfazer ao máximo as propriedades citadas pode variar, sendo influenciado por alguns fatores, dentre os quais, se destaca o método de dosagem escolhido, em função da energia de compactação, tipo de mistura, temperatura em vida de serviço, dentre outros (Bernucci et al, 2007). 2. DOSAGEM DE MISTURAS ASFÁLTICAS Devido a importância da etapa de dosagem das misturas asfálticas no desempenho dos pavimentos, muitos esforços tem sido envidados por diversas instituições pelo mundo, com o objetivo de aprimorar os procedimentos relacionados, permitindo estimar com maior precisão o comportamento das misturas. O procedimento de dosagem de misturas asfálticas se fundamenta no escolha de teor adequado de ligante para a faixa granulométrica adotada. A definição do teor se baseia primordialmente na avaliação dos parâmetros volumétricos da mistura compactada. Existem alguns métodos de dosagem difundidos pelo mundo, contudo, três métodos se destacam, especialmente pelas diferenças no processo de compactação: (i) Marshall, (ii) SuperPave e (iii) Francês. Os métodos são discutidos e comparados sucintamente nos itens a seguir. Na Figura 2 são apresentados os corpos de prova produzidos em cada método. Figura 2 Diferentes amostras obtidas por compactação por impacto, amassamento e rolagem 2.1. Método Marshall Os fundamentos do método Marshall foram desenvolvidos pelo engenheiro Bruce Marshall, na década de 1940 nos Estados Unidos e posteriormente refinado pelo United States Army Corps of Engineers USACE, e normatizado pela American Society for Testing and Materials ASTM (ASTM D 1559). O Brasil adotou o método sob especificação nacional (DNER ME 043/1995). O procedimento se baseia na confecção de corpos de prova cilíndricos, que recebem golpes pelo impacto de um soquete, com características específicas. O esforço de compactação pode ser gerado por equipamento de funcionamento manual ou automático, variação que tem implicado em diferenças de resultados entre os processos (Figura 3). A norma brasileira

4 especifica o esforço de compactação de 50 golpes por face para pressão de pneu até 7kgf/cm² e de 75 golpes por face para pressão entre 7 kgf/cm² e 14kgf/cm². Figura 3 Compactação por impacto Método Marshall A determinação do teor de projeto tem sido recorrentemente obtido pela definição do volume de vazios, em geral de 4%, contudo não existe um procedimento além da análise dos parâmetros volumétricos, o que inclui os Vazios do Agregado Mineral VAM, densidade aparente e Relação Betume Vazios RBV. O método apresenta ainda limitação em relação ao diâmetro nominal máximo, não sendo recomendado o uso de agregados com dimensão superior a 19mm na composição granulométrica, pois a presença de agregados maiores aumenta a ocorrência de engaiolamentos nas reduzidas espessuras do corpo de prova Método SuperPave As diferenças pontuadas entre a execução em campo e o procedimento de dosagem da metodologia Marshall, somadas a elevada ocorrência de deformações permanentes prematuras em vias de tráfego elevado durante a década de 1980 no Estados Unidos, foram as motivações para o investimento no programa Strategic Highway Research Program (SHRP) promovido pelo governo por meio da Federal Highway Administration (FHWA), para o desenvolvimento de uma metodologia mais eficiente da dosagem de misturas asfálticas. O programa desenvolveu a metodologia Superior Performance Asphalt Pavements (Superpave), cujo elemento principal é o processo de confecção dos corpos de prova, conforme ilustrado na figura. O Compactador por Cisalhamento Giratório (SGC), apresentado na Figura 4 produz corpos de prova de dimensões maiores do que o método Marshall, e utiliza a rotação com inclinação para a compactação, substituindo o esforço de impacto por esforço de amassamento. A dimensão máxima de agregados indicada é de 25mm.

5 Figura 4 Equipamento americano de compactação por cisalhamento giratório O número de giros durante a compactação varia em função do tráfego. A avaliação para determinação do teor de projeto também varia em função do tráfego, sendo requerido maior número de ensaios de previsão de desempenho com o aumento do número de solicitações. O método indica em geral, teores de projeto menores do que aqueles obtidos pelo método Marshall. Cabe mencionar que o processo de compactação por amassamento não garante a homogeneidade nos corpos de prova, com densificação variável das bordas em relação ao centro Método Francês O Laboratoire Central de Ponts et Chaussées (LCPC) desenvolveu na década de 1960 um método próprio para a dosagem de misturas asfálticas, inserindo na análise, aspectos relativos a clima e tráfego, definindo características de desempenho por meio de ensaios definidos. Quanto maior o nível de solicitação, maior será a complexidade do projeto de mistura asfáltica, com maior número de fatores considerados. O processo de dosagem se divide em cinco níveis. Quanto maior o nível de solicitação, mais níveis devem ser contemplados. Além disso, o método contempla a posição da camada na estrutura (revestimento, ligação ou base). Os níveis compreendem as seguintes etapas: Nível 0 definição de curva granulométrica e de teor de ligante, sendo um nível de formulação que dispensa ensaios complementares. Nível 1 além da formulação, são realizados ensaios de compactação na prensa de compactação por cisalhamento giratório e dano por umidade induzida (Duriez). Nível 2 atende às solicitações dos níveis anteriores, sendo acrescidos os ensaios de deformação permanente e evolução da macrotextura. Nível 3 adicionalmente são realizados ensaios de módulo complexo da mistura asfáltica. As misturas dosadas neste nível desempenham função estrutural no pavimento. Nível 4 Contempla todos as etapas definidas nos demais níveis, sendo inserida a avaliação da resistência à fadiga das misturas asfálticas. Os corpos de prova para a realização dos ensaios de comportamento mecânico indicados nos níveis 2, 3 e 4 são obtidos a partir da moldagem de placas asfálticas, fabricados na mesa compactadora apresentada na Figura 5.

6 Figura 5 Níveis de dosagem de misturas no Método Francês (esquerda), que utiliza compactação por rolagem (direita) 2.4. Compactação de misturas asfálticas em pista A compactação de misturas asfálticas em campo se dá pela passagem de rolos, que são selecionados em função do tipo de material e superfície que se pretende alcançar. Os rolos de pneus (Figura 6) são mais frequentemente utilizados para promover a compactação efetiva da mistura, enquanto que os rolos (Figura 6) tandem são mais utilizados no acabamento final, removendo marcas de pneus deixadas pelo primeiro. Figura 6 Rolo de pneus (esquerda) e rolo tandem (direita) para compactação em pista Para a determinação do número de passadas necessário, é indicada a construção de pista experimental, com avaliação da densidade em cada passagem. A produtividade dos rolos também deve ser avaliada durante a construção da pista experimental. Fatores como temperatura da mistura e do ambiente, espessura da camada e características dos equipamentos disponíveis influenciam o processo de compactação. 3. DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTO COMPACTADOR A compactação por rolagem em laboratório para confecção de amostras de misturas asfálticas, conforme mencionado apresenta variações importantes em função do método de dosagem adotado. A compactação por rolagem que integra o procedimento francês se destina à produção de amostras para ensaios de comportamento mecânico, enquanto a volumetria e

7 compacidade são avaliados por meio de amostras produzidas por amassamento no compactador giratório. Tendo em vista as variações apresentadas, o desenvolvimento de um equipamento simplificado capaz de compactar por rolagem tem muitas vantagens. O objetivo da pesquisa apresentada neste trabalho foi o desenvolvimento do referido equipamento, em alternativa ao equipamento francês, que serviu de referência inicial para o projeto. As dimensões de largura e comprimento da placa (180mm X 600mm) se basearam nas dimensões das placas produzidas pelo equipamento francês (180mm X 500mm); são descartados 50 mm de cada extremidade da placa produzida no equipamento desenvolvido, no intuito de se eliminar bordas que pudessem apresentar variação na densidade. A altura do corpo de prova pode ser variada, sendo que a altura total é de 150mm de camada compactada; tendo em vista a altura final do molde, de 150mm, para a moldagem de espessuras diferentes são utilizados calços para a compensação da altura, na parte inferior do molde, de modo que todas as placas, independente da altura, sejam compactadas pela roda posicionada no mesmo nível. A altura total mencionada é delimitada pela contenção do molde no sentido longitudinal (no mesmo sentido de passagem da roda). Para a contenção do material com empolamento, após a distribuição do material solto no molde, as laterais do molde tem espessura adicional de 50mm. O molde (Figura 7) é munido de mecanismos de travamento para impedir qualquer movimentação lateral, quando se iniciam os esforços para a compactação. Dispõe ainda de sistema de dobradiças que permitem a abertura de todos os lados do molde para a facilidade durante a desmoldagem da mistura compactada, sem que sejam necessários qualquer aparato para auxiliar no processo. O posicionamento do molde na plataforma de movimentação do equipamento é garantido por encaixes fixos do tipo macho e fêmea, talhados em ambas as peças. Figura 7 Compactação por rolagem no equipamento desenvolvido A mistura é distribuída no núcleo do molde através de funil com separadores internos (quarteador) que permite a distribuição homogênea da mistura asfáltica solta, reduzindo a ocorrência de segregações ao longo da amostra. A utilização do dispositivo reduz o efeito de variações atribuídas ao operador.

8 O esforço é aplicado por roda metálica com a largura total da placa (180 mm). O eixo da roda está posicionada estaticamente em uma barra, de modo que a roda permanece no mesmo lugar, girando no próprio eixo, sem movimentações longitudinais. Na extremidade da barra à qual a roda está acoplada, são alocados os componentes de peso, de modo que a carga é aplicada pelo princípio de braço de alavanca, com relação constante de 1:5. O equipamento tem funcionamento mecânico, com acionamento por motor elétrico da plataforma que comporta o molde. O movimento cíclico nas duas direções é aplicado por um braço, cuja extremidade é guiada por um contínuo circular. A Figura 8 apresenta a ilustração esquemática do equipamento. Figura 8 Equipamento compactador desenvolvido na pesquisa

9 4. AVALIAÇÃO DAS AMOSTRAS COMPACTADAS A capacidade de compactação do equipamento foi avaliada por três aspectos distintos: (i) densificação homogênea ao longo da amostra, (ii) distribuição interna dos agregados e, (iii) evolução da compactação com o número de aplicações de carga. O volume de vazios precisa estar distribuído de maneira homogênea ao longo da amostra, tanto no sentido da profundidade quanto no sentido longitudinal. As placas compactadas foram divididas em seções menores, em ambos os sentidos (nove partes no sentido longitudinal e três partes na espessura da placa) para a realização de pesagem hidrostática de cada parte. Também foram realizadas avaliações em amostras cilíndricas extraídas da placa, conforme a Figura 9. Os resultados apontaram para a necessária homogeneidade da placa, com variações máximas de 0,5% de volume de vazios entre as amostras segmentadas. Figura 9 Corpos de prova cilíndricos extraídos de placa compactada no equipamento desenvolvido A distribuição interna dos agregados foi avaliada por meio de Processamento Digital de Imagens PDI, procedimento sistemático e de maior precisão para identificação de variações na distribuição das frações de agregados ao longo da placa. O procedimento utiliza as mesmas seções que são previamente pesadas hidrostaticamente. Os resultados das análises mostraram que a distribuição pode ser considerada homogênea com comparação estatística das contagens de agregados. A evolução da densificação com a aplicação da carga é também um fator físico muito relevante. A eficiência do procedimento está diretamente associado a cada etapa, tendo em vista que o equipamento deve ter condições de compactar a mistura em curto período de tempo, devido à perda de temperatura da mistura. A temperatura é crucial, pois o processo não pode quebrar agregados durante a compactação. A Figure 10 apresenta os dados de densificação em função do número de passadas, em mistura densa convencional, sendo possível observar que o equipamento tem elevada capacidade de compactação.

10 Figure 10 Evolução da densificação com o número de passadas, no equipamento compactador 6. RECOMENDAÇÕES FINAIS O equipamento desenvolvido para a compactação de amostras de misturas asfálticas por rolagem em laboratório foi permeado pelos conceitos de homogeneidade e eficiência de compactação. O equipamento tem funcionamento simplificado, com sistema mecânico de aplicação de carga, cuja produção tem baixo custo estimulando a difusão do processo de compactação. A avaliação nas amostras confeccionadas com o equipamento desenvolvido apresentaram caraterísticas de homogeneidade no que tange aos volumes de vazios e de distribuição interna dos agregados. A eficiência de compactação foi constatada a partir de medidas de densificação em função do número de aplicações de carga. A produção de amostras permite que sejam obtidos corpos de prova para diversos ensaios, em diferentes dimensões. O equipamento permite ainda que sejam avaliados os teores de misturas com agregados em dimensões superiores a 25mm (limitados nos processos de dosagem mencionados neste trabalho). O equipamento pode ser utilizado para o desenvolvimento de método de dosagem específico para este tipo de compactação, cuja principal vantagem reside na similaridade com o procedimento de compactação em campo. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a ANTT Agência Nacional de Transportes Terrestres através do RDT (Recursos de Desenvolvimento Tecnológico) que possibilitaram a realização das pesquisas aqui apresentadas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT Associação Brasileira de Norma Técnicas (2008) NBR Misturas Asfálticas Determinação da Massa Específica Máxima Medida em Amostras Não Compactadas. ASPHALT INSTITUTE (2001) Superpave Mix Design. Superpave Series N 2 (SP-2), Third Edition, USA. ASTM American Society for Testing and Materials (1989) D Test Method for Resistance of Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus. BERNUCCI, L. L. B; MOTTA, L.M.G, CERATTI, J.P; SOARES, J.B. (2007) Pavimentação Asfáltica Formação Básica para Engenheiros. Rio de Janeiro. DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem (1995) ME 43 Misturas Betuminosas a Quente Ensaio Marshall. KANDHAL, P.S.; BROWN, E.R. (1990) Comparative Evaluation of 4-inch and 6-inch Diameter Specimens for Testing Large Stone Mixes. NCAT Rep. N 90-5, National Center for Asphalt Technology, Auburn.

11 1,2,4,5 arteris - Estrada Municipal José de Souza Bueno, 97 Vargem - SP; jmariochaves@uol.com.br; amarcandali@gmail,.com; vagner.alba@latinamanutencao.com.br; hugo.florencio@latinamanutencao.com.br 3 Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - Laboratório de Tecnologia de Pavimentação, Avenida Prof. Almeida Prado Trav. 2, nº 83; Cidade Universitária - SP; liedi@usp.br;