CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE MISTURAS ASFÁLTICAS CONTÍNUAS E DESCONTÍNUAS COM DIFERENTES LIGANTES ASFÁLTICOS

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1 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE MISTURAS ASFÁLTICAS CONTÍNUAS E DESCONTÍNUAS COM DIFERENTES LIGANTES ASFÁLTICOS Kamilla L. Vasconcelos Liedi Légi Bariani Bernucci Edson de Moura Kendi Sanbonsuge Laboratório de Tecnologia de Pavimentação Departamento de Engenharia de Transportes Escola Politécnica da Universidade de São Paulo José Mario Chaves 2 2 OHL Brasil RESUMO As misturas asfálticas densas e contínuas são amplamente utilizadas como camada de revestimento nas vias urbanas e rodovias basileiras. Com o incremento do volume de tráfego e na configuração do mesmo nos últimos anos, principalmente nas rodovias sob concessão, vem-se aumentando o uso de misturas asfálticas com diferentes granulometrias, bem como a incorporação de ligantes asfálticos modificados. Esse incremento traz a necessidade de um melhor conhecimento da viabilidade técnica dessas diferentes misturas. Dentro dessa perspectiva, o presente trabalho consta da avaliação em laboratório do comportamento mecânico de misturas asfálticas do tipo: Concreto Asfáltico (CA), Stone Matrix Asphalt (SMA) e Gap Graded (GAP), todas com utilização de ligante convencional e ligante asfáltico modificado (por SBS, borracha e RET). As misturas asfálticas foram projetadas seguindo o método Marshall de dosagem (com algumas adaptações) e foram caracterizadas mecnicamente pelos ensaios de resistência à tração por compressão diametral (RT) e módulo de resiliência (MR), ambos realizados a uma temperatura de 25 C. Dos resultados obtidos, observou-se que a granulometria foi o fator preponderante nas duas propriedades mecânicas estudadas. As misturas preparadas atendendo as especificações de mistura densa e granulometria contínua apresentaram maior rigidez. O resultado de resistência à tração por compressão diametral seguiu a mesma hierarquização do resultado de módulo de resiliência. Palavras-chave: caracterização mecânica, concreto asfáltico, SMA, Gap Graded. INTRODUÇÃO Os pavimentos asfálticos são os mais utilizados no Brasil, seja para situações de tráfego leve, seja para rodovias de tráfego lento e pesado. Diferentes são as soluções existentes em termos de tipos de misturas asfálticas que podem ser empregadas, sendo geralmente variada a granulometria e o tipo de ligante asfáltico utilizados. O desempenho das misturas asfálticas a quente é significativamente influenciado por propriedades da combinação de agregados. Dentre essas propriedades, as que mais influenciam são reconhecidamente: granulometria, forma (angularidade), textura (rugosidade) e resistência dos agregados. Segundo Vavrik et al. (2), na dosagem de uma mistura asfáltica para determinado esforço de compactação, três parâmetros associados aos agregados controlam os vazios no agregado mineral (VAM): granulometria, textura superficial e forma. Mudanças na granulometria de uma mistura provocam mudanças diretas no espaço existente no esqueleto mineral. Uma distribuição granulométrica adequada ao tipo de mistura asfáltica que se quer produzir é um dos pontos chaves para a elaboração de uma mistura de bom desempenho a curto, médio e longo prazo. No Brasil, é comum a utilização de misturas asfálticas a quente densas e contínuas, porém em países desenvolvidos, como os Estados Unidos e vários países da Europa, utilizam-se de forma corrente misturas abertas e/ou descontínuas.

2 O SMA foi concebido na Alemanha no final da década de 6, a fim de se obter uma mistura que fosse mais resistente à deformação permanente, além de apresentar bom comportamento funcional relativo à qualidade de rolamento, durabilidade, aumento da aderência pneu/pavimento, redução da reflexão de luzes em pista molhada e de ruído (Reis, 22; Mourão, 23). A maior diferença do SMA com relação às misturas densas convencionais é a descontinuidade em sua distribuição granulométrica. Existe normalmente a necessidade de utilização de fibras, que podem ser de celulose (orgânica), vidro (inorgânica), ou material mineral. As fibras atuam de forma a evitar a segregação da mistura e escorrimento do ligante, quando essas são impostas às elevadas temperaturas de usinagem e compactação, além de possibilitar que a mistura seja submetida a baixas temperaturas sem sofrer degradação (Lanchas, 999). Granulometrias do tipo Gap Graded são semelhantes às SMA e podem também ser conhecidas como granulometrias semi-descontínuas, sendo um dos diferenciais o volume de vazios de projeto (o Gap Graded geralmente apresenta volume de vazios de 5%, enquanto o SMA é projetado para 4%). O SMA emprega asfalto modificado por polímero ou asfalto convencional, sendo que para tráfego pesado recomenda-se o uso de modificado. O Gap Graded tem sido muito utilizado em conjunto com o ligante asfalto borracha. Essa combinação vem apresentando bons resultados de comportamento mecânico em laboratório (Kaloush et al., 23; Palit et al., 24) e de desempenho em campo (Harvey e Popescu, 2; Raad et al., 2). A camada porosa de atrito é caracterizada por um elevado volume de vazios, sendo considerado um dispositivo eficiente para a drenagem superficial do pavimento, levando a melhoria da aderência pneu-pavimento em condições de pista molhada. Várias agências rodoviárias nos Estados Unidos recomendam o uso desse tipo de revestimento por razões de segurança (Huber, 2), enquanto diversos países europeus as usam como pavimentos silenciosos (Focus, 25), uma vez que a textura superficial conjugada com os vazios de ar interligados dessas misturas constitui o revestimento asfáltico que mais atenua o ruído causado pela passagem dos veículos (Bullas, 24; Feighan, 26). O uso de ligante asfáltico convencional mais consistente ou mesmo modificado por polímero ou por borracha de pneu vem aumentando devido ao excesso de carga dos veículos. O modificador ideal deve melhorar a resistência do ligante a um ou mais tipos de defeitos, porém é necessário inicialmente verificar se existe compatibilidade entre o ligante asfáltico e o modificador. Yildirim (27) apresenta de forma resumida características de alguns modificadores de ligantes asfálticos comumente utilizados: Borracha natural: melhora a resistência à deformação permanente e a ductilidade, mas é sensível à decomposição e frequentemente apresenta problemas de compatibilidade. O uso de borracha de pneu como modificador de asfalto é uma solução ambientalmente correta, mas que requer temperaturas mais elevadas de mistura e tempos mais longos de digestão, a fim de prevenir a separação de fases (borracha ligante asfáltico); SBR: melhora a ductilidade a baixas temperaturas, aumenta a viscosidade, melhora a recuperação elástica e as propriedades de coesão e adesão; SBS: vem substituindo o SBR, devido sua melhor compatibilidade com os ligantes e melhor resistência à tração. Este é atualmente o polímero mais largamente utilizado para modificação de asfaltos, pois melhora sua elasticidade, trabalha bem a baixas temperaturas, além de o ligante modificado poder ser reutilizado; RET (Elvaloy): é um modificador que forma uma ligação química com o asfalto, evitando problemas de separação durante a estocagem, transporte e aplicação. Este aumenta a

3 resistência ao dano por umidade e resulta em asfaltos modificados que apresentarão melhor comportamento nos testes reológicos a temperaturas elevadas. No Brasil, é crescente o emprego de asfalto-borracha, que teve seu uso implementado comercialmente há cerca de anos. O SBR é utilizado no país para a fabricação de emulsões modificadas por polímero e não como modificadores de asfaltos para misturas a quente. O SBS é usado em larga escala há praticamente 2 anos e o RET (Elvaloy) tem seu uso crescente, como modificação em usina ou em fábrica do ligante. Dentro dessa perspectiva, o presente trabalho busca ilustrar como a distribuição granulométrica e o tipo de ligante asfáltico afetam as propriedades mecânicas das misturas. Foram avaliadas seis granulometrias (contínuas e descontínuas) e quatro tipos de ligantes asfálticos, sendo um convencional e três modificados, conforme abordado nos itens a seguir. 2. PROCEDIMENTO LABORATORIAL Os itens a seguir contem a descrição das etapas laboratoriais que foram seguidas nesse estudo. Parte dos ensaios foi realizado no Laboratório de Tecnologia de Pavimentação da Escola Politécnica da USP e parte no Centro de Desenvolvimento Tecnológico da Paulista Infraestrutura (Grupo OHL Brasil). 2.. Seleção dos Materiais Na preparação das misturas asfálticas utilizou-se a combinação de três agregados de origem granítica (Brita, Pedrisco e Pó de Pedra), cal CH- e quatro ligantes asfálticos, sendo um convencional (CAP 3/45) e três modificados (por SBS, Borracha e RET). Os ligantes modificados foram recebidos para a mistura e testes já modificados pelas fábricas. As Tabelas e 2 abaixo apresentam algumas características dos agregados e ligantes asfálticos utilizados, respectivamente. Granulometria (% Passando) Tabela. Caracterização dos agregados Peneiras Brita Pedrisco Pó de Pedra,,, 3/4 83,2,, /2 6, 99,8, 3/8,2 75,6, N 4,,5 9, N,,3 56,5 N 4,,3 22,5 N 8,9,3 4,5 N 2,8, 9,9 Abrasão Los Angeles (%),7,7 - % dos Grãos com Relação > :3 24,5 32,4 - % dos Grãos com Relação > :5,5 3,4 - Equivalente de Areia (%) - - 6,4 Massa Específica Real (g/cm 3 ) 2,79 2,79 2,83 Massa Específica Aparente (g/cm 3 ) 2,77 2,764 2,794 Absorção de Água (%),3,3,

4 Tabela 2. Caracterização dos ligantes asfálticos CAP 3/45 SBS 6/85 Borracha RET Penetração (,mm) Ponto de Amolecimento ( C) Viscosidade Brookfield a 35 C (cp) Viscosidade Brookfield a 5 C (cp) Viscosidade Brookfield a 77 C (cp) Densidade (g/cm 3 ),23,4,32,5 Ponto de Fulgor ( C) Temperatura de Mistura ( C) 98 a 56 a a 83* Viscosidade entre 5 e 9cP 26** 7 a 76 Temperatura de Usinagem ( C) 83 a 45 a 5 63 a 69* Viscosidade entre 25 e 3cP 9** 6 a 64 * De acordo com recomendações fornecidas pelo fabricante, o ligante foi usinado entre 65-7 C e a compactação entre 55-6 C ** De acordo com recomendações fornecidas pelo fabricante, o ligante foi usinado entre C e a compactação entre C 2.2. Curvas Granulométricas A combinação dos três agregados e da cal proporcionou a obtenção de seis distribuições granulométricas distintas, sendo três concretos asfálticos, dois SMAs e um Gap Graded, ilustradas na Figura. Percentual Passando MISTURAS CONTÍNUAS ,, Percentual Passando MISTURAS DESCONTÍNUAS 9 8 Gap 2,5mm ,, Abertura das Peneiras (mm) Abertura das Peneiras (mm) (a) (b) Figura. Distribuições granulométricas das misturas asfálticas analisadas: (a) contínuas e (b) descontínuas 2.3. Dosagem das Misturas Asfálticas As dosagens das 24 misturas asfálticas (combinação das seis granulometrias com os quatro ligantes asfálticos) foram realizadas pelo Laboratório da Paulista Infraestrutura (OHL Brasil) de acordo com a especificação técnica para projeto de misturas asfálticas a quente OHL-ET-. As misturas de granulometria SPV e SMA foram projetadas para 4,% de volume de vazios e as misturas Gap Graded para 5,%. A preparação dos corpos de prova foi realizada por compactação Marshall, com 75 golpes por face para as granulometrias SPV e Gap Graded e 5 golpes por face para o SMA. Todas as misturas passaram pelo processo de envelhecimento de curto prazo, permanecendo duas horas em estufa antes do proceder de

5 compactação. Os teores de projeto das misturas encontram-se resumidos na Tabela 3 e ilustrados na Figura 2. Tabela 3. Teor de projeto das misturas asfálticas analisadas (percentual em massa) Granulometria / Ligante Asfáltico CAP 3/45 SBS 6/85 BORRACHA RET 4,9 4,9 5,9 5,3 4,7 5, 6, 5, 4,5 5, 5,8 4,7 6,9 7,3 8,6 7,6 6,2 6,5 8, 6,6 5,6 6, 6,5 5,9 Teor de Projeto 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% CAP 3/45 SBS 6/85 BORRACHA RET Figura 2. Ilustração dos teores de projeto por tipo de ligante para as diferentes granulometrias No presente trabalho, a determinação da densidade máxima teórica (DMT) seguiu o procedimento através da aplicação de vácuo (ABNT NBR 569), denominada de Rice. O ensaio foi realizado, para cada uma das misturas, em diferentes percentuais de ligante asfáltico, como parte do procedimento de dosagem. A Tabela 4, porém, ilustra os resultados obtidos apenas para o teor de projeto. Tabela 4. Rice das misturas asfálticas analisadas (teor de projeto) Granulometria / Ligante Asfáltico CAP 3/45 SBS 6/85 BORRACHA RET 2,559 2,564 2,523 2,548 2,569 2,554 2,54 2,55 2,575 2,553 2,522 2,57 2,467 2,45 2,43 2,438 2,497 2,483 2,428 2,48 2,524 2,57 2,494 2,58 As misturas preparadas com o ligante asfalto borracha (ligante mais consistente) apresentaram os maiores teores de projeto (para as distintas granulometrias estudadas). Os menores teores

6 foram obtidos para as misturas com o CAP 3/45 (Figura 2). Estudos apontam para teores mais baixos de projeto, quanto menos consistente for o ligante asfáltico (Soares et al., 2). Os elevados teores de projeto das misturas preparadas com o ligante asfalto borracha podem estar relacionados à variação na temperatura de usinagem e compactação mencionada na Tabela 2. Segundo orientação do fabricante, as temperaturas foram reduzidas em mais de 2 C, com relação às encontradas pelo gráfico de viscosidade versus temperatura, o que pode ter levado a uma maior necessidade de ligante para o recobrimento dos agregados. 2.4.Ensaios Mecânicos O comportamento mecânico das misturas asfálticas preparadas no teor de projeto foi avaliado por meio dos ensaios de: (i) resistência à tração por compressão diametral (RT) e (ii) módulo de resiliência (MR), ambos realizados a 25 C. Os resultados ilustrados nas Figuras 3 e 4 são uma média de pelo menos três ensaios. 2,,8,7,8 2,,9,9,8 RT - 25 C (MPa),5,,2,2,2 RT - 25 C (MPa),5,,,3,2,5,5, CAP 3/45, SBS 6/85 (a) (b) RT - 25 C (MPa) 2,,5,,5,4,2,,, RT -25 C (MPa) 2,,5,,7,6,6,4,5,3,5,5, BORRACHA (c) (d) Figura 3. Resultados de resistência à tração por compressão diametral das misturas preparadas com: (a) CAP 3/45, (b) SBS 6/85, (c) BORRACHA e (d) RET, RET MR - 25 C (MPa) MR - 25 C (MPa) CAP 3/45 (a) SBS 6/85 (b)

7 MR - 25 C (MPa) MR - 25 C (MPa) BORRACHA (c) (d) Figura 4. Resultados de módulo de resiliência das misturas preparadas com: (a) CAP 3/45, (b) SBS 6/85, (c) BORRACHA e (d) RET A partir das Figuras 3 e 4 é possível observar que a variação tanto na granulometria, quanto no tipo de ligante asfáltico, influenciaram de forma significativa os resultados de RT e MR. Os menores valores de RT obtidos para as misturas SMA, quando comparadas com o CA, já havia sido observado em trabalhos anteriores (Vasconcelos, 24), não indicando necessariamente um pior comportamento. Porém, quando se avalia a razão MR/RT, depara-se com uma influência bastante reduzida dos dois parâmetros, conforme observado na Figura 5. A razão MR/RT vem sendo usada como um indicador da vida de fadiga de misturas, uma vez que agrega informações de rigidez e resistência, sendo mais desejável um valor pequeno da razão, dado que com frequência busca-se (i) baixa rigidez para evitar elevada absorção de tensões, que levam ao trincamento prematuro do revestimento, e (ii) alta resistência à tração, uma vez que em geral uma maior resistência na ruptura é também associada a uma maior resistência à fadiga (Bernucci et al.,28). Vale salientar porém, que esse parâmetro é apenas uma simplificação, não eliminando a necessidade de realização de ensaios de fadiga, que consideram diferentes níveis de tensão. RET MR /RT MR /RT CAP 3/45 SBS 6/85 (a) (b) MR /RT MR /RT BORRACHA (c) RET (d)

8 Figura 5. Resultados de MR/RT das misturas preparadas com: (a) CAP 3/45, (b) SBS 6/85, (c) BORRACHA e (d) RET 3. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS E CONCLUSÕES A escolha do teor de projeto das misturas estudadas baseou-se primordialmente no volume de vazios obtidos com a compactação do tipo Marshall. Algumas misturas descontínuas apresentaram visualmente excesso de ligante asfáltico e isso foi, de certa forma, verificado em alguns ensaios mecânicos. Convém ressaltar que a definição de um teor de projeto (ou teor ótimo), deveria levar em consideração aspectos do comportamento mecânico das misturas e sua adequação com a estrutura onde vai ser utilizada, bem como com o tráfego esperado e o clima na região. De forma geral, as misturas preparadas atendendo as especificações de granulometria SPV (mistura densa e contínua) apresentaram maior rigidez e maior resistência à tração, ao passo que as misturas do tipo SMA e Gap Graded apresentaram os menores valores. O ligante asfáltico também influenciou os parâmetros mecânicos, apresentando uma tendência de quanto menor sua consistência, menor os valores de módulo de resiliência e de resistência à tração por compressão diametral. A relação MR/RT foi utilizada como um indicativo da vida de fadiga das misturas asfálticas. Este parâmetro foi menos influenciado pelas diferentes distribuições granulométricas avaliadas e ainda em menor escala pelo tipo de ligante, mas vale ressaltar que o parâmetro não elimina a necessidade de estudo da vida de fadiga dessas misturas, uma vez que o ensaio de fadiga considera diferentes níveis de tensão. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Grupo OHL Brasil Autopista Régis Bittencourt pelo financiamento dessa pesquisa e ao Centro de Desenvolimento Tecnológico da Paulista Infraestrutura pela parceria na execução do procedimento laboratorial. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bernucci, L.L.B.; Motta, L.M.G.; Ceratti, J.A.P. e Soares, J.B. (28) Pavimentação Asfáltica: Formação Básica para Engenheiros - Rio de Janeiro : Petrobras : Abeda. Bullas, J. C. (24). Tyres, road surfaces and reducing accidents: A review Rep. Prepared for The AA Foundation for Road Safety Research and the County Surveyors Society, The AA Foundation for Road Safety and the County Surveyors Society, < >, em 5/Junho/2. Feighan, K. (26) Pavement skid resistance management The Handbook of Highway Engineering, T. F. Fwa, ed., CRC, Boca Raton, Fla., 2 3. Focus (25) Quiet pavements: Lessons learned from Europe FHwAHRT-5-25 < em 5/junho/2. Harvey, J. e Popescu, L. (2) Accelerated Pavement Testing of Ruttin g Performance of Two Caltrans Overlay Strategies. Transportation Research Record, v. 76, p Huber, G. (2) Performance survey on open-graded friction course mixes National Cooperative Highway Research Program, Synthesis of Highway Practice 284, Transportation Research Board, Washington, D.C. Kaloush, K.E.; Witczak, M.W.; Sotil, A.C. e Way, G.B. (23) Laboratory Evaluation of Asphalt Rubber Mixtures Using the Dynamic Modulus (E*) Test. Transportation Research Board Annual Meeting, Washington, DC. Lanchas, S. (999) Características del Stone Mastic Asphalt SMA. Anais do Congresso Ibero-Latinoamericano CILA, Sevilha, Espanha, v., p Mourão, F.A.L. (23) Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA. Tese de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ.

9 Palit, S.K.; Reddy, K.S. e Pandey, B.B. (24) Laboratory Evaluation of Crumb Rubber Modified Asphalt Mixes. Journal of Materials in Civil Engineering, v. 6, No., p Raad, L.; Saboundjian, S. e Minassian, G. (2) Field Aging Effects on Fatigue of Asphalt Concrete and Asphalt-Rubber Concrete. Transportation Research Record, v. 767, p Reis, R.M.M. (22) Revestimento Asfáltico Tipo SMA para Alto Desempenho em Vias de Tráfego Pesado. Dissertação de M.Sc., Escola Politécnica/USP, São Paulo, SP. Soares, J.B.; Motta, L.M.G.; Paiva, J.A. e Castelo Branco, J.V. (2) Propriedades Mecânicas de Misturas Asfálticas com Variação de Granulometria e de CAP. 5 Encontro de Asfalto, Rio de Janeiro. Vasconcelos, K. L. (24) Comportamento Mecânico de Misturas Asfálticas a Quente Dosadas pelas Metodologias Marshall e Superpave com Diferentes Granulometrias. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Transportes) Programa de Mestrado em Engenharia de Transportes, Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza. Vavrik, W.R.; Pine, W.J.; Huber, G.A.; Carpenter, S.H. e Bailey, R. (2) The Bailey Method of Gradation Evaluation: The Influence of Aggregate Gradation and Packing Characteristics on Voids in Mineral Aggregate. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, v. 7, p Yildirim, Y. (27) Polymer Modified Asphalt Binders. Construction and Building Materials, v. 2, p CONTATOS Av. Prof. Almeida Prado Travessa 2, No São Paulo, SP, Brasil kamilla.vasconcelos@gmail.com, liedi@usp.br, edmoura@usp.br, kendi.sanbonsuge@poli.usp.br Tel: , Fax: Rua Tibiriçá, 45, Atibaia, SP, Brasil jmariochaves@uol.com.br