SELEÇÃO DO LIGANTE ASFÁLTICO EM FUNÇÃO DO CLIMA E DO TRÁFEGO DA REGIÃO DE APLICAÇÃO ESTUDO DE CASO: RIO DE JANEIRO

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1 SELEÇÃO DO LIGANTE ASFÁLTICO EM FUNÇÃO DO CLIMA E DO TRÁFEGO DA REGIÃO DE APLICAÇÃO ESTUDO DE CASO: RIO DE JANEIRO MARIANA SOUZA CARNEIRO Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientadora: Professora Sandra Oda, D.Sc. Rio de Janeiro, RJ Brasil Março de 2015

2 ii SELEÇÃO DO LIGANTE ASFÁLTICO EM FUNÇÃO DO CLIMA E DO TRÁFEGO DA REGIÃO DE APLICAÇÃO ESTUDO DE CASO: RIO DE JANEIRO MARIANA SOUZA CARNEIRO PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL. Examinada por: Prof. Drª. Sandra Oda Prof. Dr. Giovani Manso Ávila Eng. Leonardo Santana Cavalcanti Rio de Janeiro, RJ Brasil Março de 2015

3 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil. iii Seleção do Ligante Asfáltico em Função do Clima e do Tráfego da Região de Aplicação Estudo de Caso: Rio de Janeiro O Presente trabalho tem como objetivo determinar as Performances de Grade de diversas vias na cidade do Rio de Janeiro. A classificação Superpave com base no PG é composta por dois números: o primeiro número corresponde à temperatura mais elevada do pavimento, ou seja, aquela em que os ensaios que avaliam a resistência ao acúmulo de deformação permanente devem ser realizados. O segundo número corresponde à temperatura mínima do pavimento, aquela em que os ensaios que analisam a resistência às trincas por contração de origem térmica devem ser realizados. Portanto, selecionar o ligante asfáltico mais adequado é muito importante e para isso devem ser consideradas as características climáticas e de tráfego da região onde será feita a aplicação da mistura asfáltica, não apenas a caracterização do material asfáltico, uma vez que o desempenho do pavimento varia de acordo com os materiais selecionados, ou seja, é importante determinar o PG, de cada via para evitar erros e problemas precoces. Mariana Souza Carneiro Março/2015 Orientadora: Sandra Oda Curso: Engenharia Civil

4 iv SUMÁRIO RESUMO ABSTRACT ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABELAS LISTA DE ABREVIATURAS 1. INTRODUÇÃO Objetivo Estrutura do Trabalho PAVIMENTOS Tipos Subleito Camadas do pavimento Reforço do Subleito Sub-base Base Revestimento PRINCIPAIS TIPOS DE DEFEITOS Importância do Teor e Tipo de Ligante na Formação dos Defeitos Trincas por Fadiga Deformação Permanente Trincas de Origem Térmica MATERIAIS Agregados Ligantes Asfálticos Tipos Cimento Asfáltico de Petróleo CAP Asfalto Diluído de Petróleo (ADP) Emulsões Asfálticas de Petróleo EAP Asfaltos Oxidados ou Soprados de Uso Industrial Asfaltos Modificados (AMB ou AMP) Agentes Rejuvenescedores AR... 23

5 v Classificação Classificação por Penetração Classificação por Viscosidade Classificação Superpave Reologia de Ligantes Asfálticos Ensaios Ensaios Convencionais Ensaios Superpave DETERMINAÇÃO DO PG DO LIGANTE ASFÁLTICO SELEÇÃO DE LIGANTES ASFÁLTICOS PELO MÉTODO SUPERPAVE ESTUDO DE CASO Características da Região Trechos selecionados Temperatura Classificação PG Seleção do Tipo de Ligante CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO A - Volume Diário de Veículos das Principais Vias do Município do Rio de Janeiro

6 vi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Exemplos de pavimento flexível e de pavimento rígido Corte Transversal 4 Figura 2: Distribuição de tensões em um pavimento flexível 5 Figura 3: Distribuição de tensões em um pavimento rígido 5 Figura 4: Tipos de revestimentos 7 Figura 5: Progressão das trincas de fadiga em um pavimento flexível com revestimento de concreto asfáltico 11 Figura 6: Exemplos de revestimento asfáltico em climas frios com trincas térmicas 14 Figura 7: Diagrama da classificação dos ligantes asfálticos, segundo o DNER 17 Figura 8: Esquema de produção de emulsão asfáltica 21 Figura 9: Ruptura da emulsão asfáltica 22 Figura 10: Classificação Superpave de ligante asfáltico baseado no PG 31 Figura 11: Comportamento visco-elástico de materiais asfálticos a partir de ensaios dinâmicos 32 Figura 12: Comportamento tensão-deformação de materiais asfálticos 33 Figuras 13(a), (b) e (c): Equipamento utilizado na determinação da penetração de ligantes asfálticos. 34 Figura 14: Equipamento utilizado na determinação do ponto de amolecimento de ligantes asfálticos - Método Anel e Bola. 34 Figura 15: Equipamento utilizado na determinação do ponto de fulgor de ligantes asfálticos. _ 35 Figura 16: Equipamento utilizado na determinação da viscosidade Saybolt-Furol. 36 Figura 17: Equipamento utilizado na determinação da ductilidade. 36 Figura 18: Viscosímetro Brookfield utilizado para determinar a viscosidade aparente de ligantes asfálticos. 37 Figura 19: Reômetro de cisalhamento dinâmico 38 Figura 20: Esquema de um Reômetro de cisalhamento dinâmico 38 Figuras 21(a) e (b): Estufa de Filme Fino Rotativo (Ensaio RTFOT). 39 Figura 22: Frascos utilizados no ensaio RTFOT 39 Figura 23: Vaso de pressão (PAV) utilizado para envelhecimento acelerado de ligantes asfálticos. 40 Figura 24: Reômetro de viga à flexão. 41 Figura 25: Exemplo de seleção do PG para o CAP A. 43 Figura 26: Classificação PG a partir de dados de temperaturas 44 Figura 27: Exemplo de classificação PG a partir das temperaturas máximas e mínimas do pavimento. 45 Figura 28: Fotografia parcial da Região Metropolitana do Rio de Janeiro, registrada a partir da Estação Espacial Internacional, à noite 47 Figura 29: Subdivisões de bairros da cidade do Rio de Janeiro 48 Figura 30: Temperaturas máxima e mínima (médias climatológicas de 1961 a 1990; recordes de temperatura de 1961 a 2013) 49

7 vii ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1: Rochas utilizadas para obtenção de agregados. 16 Tabela 2: Composição química do CAP 50/ Tabela 3: Nova Especificação para Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) - Classificação por penetração. 25 Tabela 4: Especificações para Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) - Classificação por viscosidade vigente até julho de Tabela 5: Limitações da Classificação Convencional e Características da Especificação Superpave. 28 Tabela 6: Tipos de ligantes Superpave 30 Tabela 7: Resultados de Cisalhamento Dinâmico - Amostra virgem - G*/ sen 1,0 kpa 42 Tabela 8: Resultados de Cisalhamento Dinâmico - Após RTFOT - G*/ sen 2,2 kpa 42 Tabela 9: Resultados de Cisalhamento Dinâmico - Após PAV - G* sen 5500 kpa 43 Tabela 10: Resultados de Rigidez à fluência na Flexão - S 300 e m>0, Tabela 11: Determinação do PG das amostras do exemplo. 43 Tabela 12: Volume diário de Veículos dos trechos selecionados 50 Tabela 13: Temperaturas mínima e máxima, latitude e longitude dos trechos selecionados. _ 52 Tabela 14: Temperaturas máxima e mínima de projeto (no pavimento). 52 Tabela 15: Classificação do PG em função da temperatura. 52 Tabela 16: Classificação do PG em função da temperatura e do tráfego 53 Tabela 17: Resultados dos ensaios da especificação Superpave e classificação PG. 54 Tabela 18: Resultados dos ensaios da especificação Superpave e classificação PG. 54 Tabela 19: Resultados dos ensaios da especificação Superpave e classificação PG. 55 Tabela 20: Classificação do PG em função da temperatura e do tráfego 57

8 viii LISTA DE ABREVIATURAS ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas CAP: Cimento Asfáltico de Petróleo DNER: Departamento Nacional de Estradas de Rodagem DNIT: Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes DSR: Dynamic Shear Rheometer EVA: Etileno Acetato de Vinila FHWA: Federal Highway Administration Lat: Latitude PAV: Pressure Aging Vessel PG: Performance de Grade RTFOT: Rolling Thin Film Oven Test SBS: Styrene Butadiene Styrene SHRP: Strategic Highway Research Program SUPERPAVE: Superior Performing Asphalt Pavement System

9 1. INTRODUÇÃO Os revestimentos, compostos por misturas asfálticas tipo concreto asfáltico, possuem mecanismos de degradação bastante complexos, tais como trincamento, deformação permanente, envelhecimento etc. Tais fenômenos são condicionados pelas seguintes variáveis: tráfego, ambiente em que está inserido, processo construtivo, plano de manutenção e materiais envolvidos (SPECHT, 2004). O conceito de concreto asfáltico e de pavimentos flexíveis tem evoluído ao longo dos anos partindo do conceito empírico para mecânica de pavimentos. No entanto, a filosofia de projeto tem sido sempre minimizar o potencial de defeitos (tanto estrutural quanto funcional) da estrutura do pavimento devido à deterioração. Os principais defeitos de um pavimento asfáltico são o acúmulo de deformação permanente nas trilhas de roda e as trincas por fadiga do revestimento. No Brasil, o trincamento é a principal causa da queda do desempenho ou nível de serventia dos pavimentos flexíveis. A deformação permanente nas trilhas de roda, que tem destaque em outros países, é de menor ocorrência nas nossas rodovias principais, mas em geral é devido a adoção de ligantes não adequados e negligência do controle de qualidade. A vida útil de um pavimento, a reabilitação e a necessidade de tratamentos para recuperação dependem de recursos financeiros expressivos e estes são afetados significativamente pelo nível de deterioração que se encontra o pavimento. Muitas das decisões são tomadas em função do tipo, extensão, intensidade e pela porcentagem de área trincada na camada de revestimento. Um ligante apresenta menor resistência à deformação permanente no início de sua vida em serviço, quando sua rigidez é menor, sendo afetado também pelas temperaturas elevadas e por veículos trafegando a baixas velocidades (maior tempo de aplicação de carga). Por outro lado, a resistência às trincas por fadiga diminui com o envelhecimento, que aumenta a rigidez e diminui a ductilidade do ligante (ROBERTS et al., 1996). Antes de ser colocado em serviço, um revestimento asfáltico é submetido às etapas de mistura (normalmente em usina), espalhamento e compactação. Vale ressaltar que os ensaios convencionais utilizados para a caracterização da consistência de ligantes asfálticos através dos ensaios de penetração, ponto de amolecimento e viscosidade apresentam limitações quando utilizada para seleção de ligantes e para a estimativa do desempenho ao longo da vida em serviço por não fornecerem parâmetros em diferentes faixas de temperaturas nas quais os pavimentos são submetidos durante suas vidas de serviço. Muitas vezes, por falta de conhecimento, são aplicados ligantes inadequados, alguns modificados que acabam não

10 2 contribuindo para um melhor desempenho do pavimento e que são mais caros. Em outros casos, são aplicados ligantes que não atendem às exigências de clima e tráfego, resultando em defeitos precoces. Baseada em propriedades fundamentais, a nova especificação Superpave para materiais asfálticos seleciona o ligante em função do desempenho (PG) sob condições climáticas da região em que será utilizado. Para isso, são consideradas as máximas temperaturas do pavimento durante sete dias consecutivos e a mínima temperatura do mês mais frio (ASPHALT INSTITUTE, 2010). A classificação Superpave com base no PG é composta por dois números: o primeiro número corresponde à temperatura mais elevada do pavimento, ou seja, aquela em que os ensaios que avaliam a resistência ao acúmulo de deformação permanente devem ser realizados. O segundo número corresponde à temperatura mínima do pavimento, aquela em que os ensaios que analisam a resistência às trincas por contração de origem térmica devem ser realizados (ASPHALT INSTITUTE, 2010). Portanto, selecionar o ligante asfáltico mais adequado é muito importante e para isso devem ser consideradas as características climáticas e de tráfego da região onde será feita a aplicação da mistura asfáltica, não apenas a caracterização do material asfáltico, uma vez que o desempenho do pavimento varia de acordo com os materiais selecionados, ou seja, é importante determinar o PG, Performance Grade, de cada via para evitar erros e problemas precoces Objetivo O objetivo deste trabalho é determinar os PGs (Performance Grade) da cidade do Rio de Janeiro, auxiliando a identificar os ligantes asfálticos mais adequados para aplicar nos pavimentos de cada rua ou avenida, considerando dados de clima e tráfego Estrutura do Trabalho O capitulo 1 apresenta uma introdução, uma justificativa e o objetivo do trabalho. O capítulo 2 aborda os principais aspectos sobre pavimentos: apresentando os principais tipos e as camadas que podem conter um pavimento. O capítulo 3 apresenta os principais tipos defeitos encontrados nos pavimentos flexíveis, e como a escolha do ligante asfáltico adequado irá influenciar nesses defeitos.

11 3 O capítulo 4 fala sobre os materiais empregados na pavimentação. O capítulo 5 aborda os ensaios Superpave necessários para determinar o PG do ligante asfáltico. O capítulo 6 mostra o método de Superpave utilizado para determinar o melhor ligante asfáltico, e sua aplicação no Brasil. No capítulo 7 é descrito o estudo de caso contemplado neste projeto e os procedimentos necessários. O capítulo 8 apresenta as conclusões gerais e recomendações práticas, além de algumas sugestões para trabalhos futuros considerando o mesmo estudo de caso.

12 4 2. PAVIMENTOS 2.1. Tipos O pavimento é a estrutura construída sobre a terraplanagem de um terreno, denominado de subleito, e tem a função de receber as cargas impostas pelo tráfego de veículos e as redistribuir para o subleito, além de proporcionar condições satisfatórias de velocidade, segurança, conforto e economia para o fluxo de pessoas e mercadorias. Os pavimentos são divididos basicamente em dois tipos, em função do seu comportamento estrutural: Rígidos e Flexíveis (Figura 1). Figura 1: Exemplos de pavimento flexível e de pavimento rígido Corte Transversal (Fonte: BERNUCCI et.al. 2008). Os pavimentos rígidos são constituídos por uma placa de concreto que praticamente absorve toda solicitação e a distribui sobre uma grande área, e ao chegar ao subleito a carga encontrase suficientemente amortecida. Segundo o DNIT (2006), o pavimento rígido é aquele em que o revestimento tem uma elevada rigidez em relação às camadas inferiores e, portanto absorve praticamente todas as tensões provenientes do carregamento aplicado. Exemplo típico: pavimento constituído por lajes de concreto de cimento Portland. Já os pavimentos flexíveis, consistem em uma camada de rolamento asfáltica e de base, constituída por uma ou mais camadas, que se apoia sobre o leito da estrada, sendo que, a camada de rolamento pode se adaptar à deformação da base, quando solicitada. Para o DNIT (2006), pavimento flexível é aquele em que todas as camadas sofrem deformação elástica significativa sob o carregamento aplicado e, portanto, a carga se distribui em parcelas aproximadamente equivalentes entre as camadas. Um exemplo típico é um pavimento

13 constituído por uma base de brita (brita graduada ou macadame) ou por uma base de solo pedregulhoso, revestida por uma camada asfáltica. 5 As Figuras 2 e 3 mostram a distribuição de tensões, dada a aplicação de uma força concentrada, nos pavimentos flexíveis e rígidos. Figura 2: Distribuição de tensões em um pavimento flexível (Fonte: BALBO, 2007). Figura 3: Distribuição de tensões em um pavimento rígido (Fonte: BALBO, 2007). Enquanto uma carga atuante sobre um pavimento flexível impõe um campo de tensões muito concentrado na área do ponto de aplicação da carga, em um pavimento rígido, observa-se um campo mais disperso, com os efeitos da carga distribuídos por toda a dimensão da placa.

14 Subleito O Subleito é o terreno natural. É o terreno de fundação onde será apoiado todo o pavimento. Por esse motivo não é considerada uma camada do pavimento (DNIT, 2006). Deve ser considerado e estudado até as profundidades em que atuam significativamente as cargas impostas pelo tráfego. Geralmente é constituído de material natural consolidado e compacto, ou pode ser composto também por material transportado, após ser compactado, mas isso não é muito comum. No entanto, se o CBR do subleito for <2%, ele deve ser substituído por um material de maior resistência (2% CBR 20) até pelo menos 1 metro. Se o CBR do material for maior que 20%, ele pode ser usado como sub-base (DNIT, 2006). Porém deve-se levar em consideração que o solo do subleito não deve ser muito expansivo, e para isso utiliza-se a NBR 9895/1987 Solo Índice de Suporte Califórnia, que traz o método para definir o ISC, bem como a expansão do solo em laboratórios através de amostras deformadas (DNIT, 2006). Caso o valor do ISC do subleito natural seja inferior ao descrito em projeto, é necessária a execução de uma camada de forço cujo material apresente capacidade de suporte superior ao subleito de projeto (DNIT, 2006) Camadas do pavimento Reforço do Subleito É a camada de espessura constante transversalmente longitudinalmente, de acordo com o dimensionamento do pavimento, fazendo parte deste e que, será executada sobre o subleito regularizado. Serve para melhorar as qualidades do subleito e regularizar a espessura da subbase Sub-base Camada complementar à base, usada quando não for aconselhável apoiar a base diretamente sobre o leito regularizado ou sobre o reforço, mas também pode ser usado para regularizar a espessura da base Base Camada destinada a resistir e distribuir ao subleito, os esforços oriundos do tráfego e sobre a qual se construirá o revestimento.

15 Revestimento O revestimento recebe diretamente ação do rolamento dos veículos, ou seja, é a camada superior destinada a proteger as camadas inferiores da deterioração causada pela ação do tráfego e agentes climáticos, tornando-as impermeáveis. Os revestimentos podem ser classificados conforme o esquema mostrado na Figura 4: Figura 4: Tipos de revestimentos (Fonte: DNIT, 2006)

16 8 3. PRINCIPAIS TIPOS DE DEFEITOS Nos pavimentos flexíveis, o revestimento é composto de uma combinação entre ligante asfáltico e agregado mineral, compondo a mistura asfáltica. O desempenho dessa camada depende das propriedades de seus materiais individualmente e, também, da relação entre ligante e agregado. O ligante asfáltico possui comportamento bem variado quando submetido a diferentes temperaturas, o que pode causar problemas no pavimento. Os principais defeitos são as trincas por fadigas do revestimento e o acúmulo plástico das deformações permanentes nas trilhas de roda. As trincas por fadiga estão ligadas às cargas repetidas de tráfego e pela rigidez do ligante asfáltico, que não suporta as solicitações do tráfego pesado sem trincar. Já a deformação permanente nas trilhas de roda, ocorre devido à densificação dos materiais ou ruptura por cisalhamento, que depende principalmente da estrutura de agregados e também das características de rigidez do ligante asfáltico (ARAO, 2014) Importância do Teor e Tipo de Ligante na Formação dos Defeitos O teor de ligante é um dos fatores mais importantes no comportamento de misturas asfálticas à fadiga. A partir de ensaios realizados à tensão controlada (TC), Epps e Monismith 1 (1969), Pell 2 apud Gontijo (1980) e Harvey e Tsai 3 (1996) apud Santos (2005) constataram que aumentando-se ligeiramente o teor de ligante ocorre um aumento da resistência à fadiga da mistura. No entanto, são unânimes em afirmar que este aumento, acima de um determinado limite, provoca uma redução do módulo de rigidez da mistura, que é função de um teor ótimo do ligante, e, consequentemente, uma redução da resistência à fadiga: a máxima resistência à fadiga nos ensaios à tensão controlada tende a ocorrer quando a rigidez da mistura é máxima. Kim, Khosla e Kim 4 (1991) apud Santos (2005) investigaram a influência de variáveis da mistura na vida de fadiga empregando o ensaio de compressão diametral, e também concluíram que um aumento do teor de ligante proporciona um aumento na resistência à fadiga das misturas asfálticas. 1 EPPS, J.A., MONISMITH, C.L. Influence of Mixture variables on The Flexural Fatigue Properties of Asphalt Concrete. pp Los Angeles: Proc. of The Asphalt Paving Technologists, PELL, P.S. Fatigue of asphalt pavement mixes. Proc. 2nd. Int. Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements. Ann Arbor, Michigan, USA, HARVEY, J. T.; TSAI, B. W. Effects of asphalt content and air void content on mix fatigue and stiffness. Transportation Research Record pp , Washington D.C., KIM, Y. R.; KHOSLA, N. P.; KIM, N. Effect of temperature and mixture variables on fatigue life predicted by diametral fatigue testing. Transportation Research Record pp , Washington D.C., 1991.

17 9 Nos ensaios à deformação controlada (DC), Gontijo 5 (1980) apud Santos (2005) verificou o contrário, um aumento constante da duração de vida com o acréscimo do teor de ligante, parâmetro este responsável, quando superior a determinado limite, pela redução do módulo de rigidez da mistura. Para Monismith e Deacon 6 (1969) apud Santos (2005), o aumento do teor do ligante de misturas ensaiadas à deformação controlada provoca uma redução nos níveis das tensões que atuam na combinação ligante-fíler, sendo, portanto, responsável por um acréscimo da resistência à fadiga. Esta contradição se explica pelos diferentes modos de ruptura nos dois tipos de ensaio (TC e DC). Além do teor de ligante, o tipo de asfalto utilizado nas misturas tem grande influência na vida de fadiga da mesma. De acordo com Kim, Khosla e Kim (1991) apud Santos (2005), misturas com ligantes menos rígidos demonstraram maior resistência à fadiga. Os asfaltos modificados com polímeros têm mostrado bons resultados na pavimentação flexível, apresentando melhoria em uma ou várias das seguintes características (SANTOS, 2005): susceptibilidade térmica; Coesão; elasticidade; resistência à fadiga. Além da melhoria dessas propriedades, estes asfaltos possuem maior resistência à ação da água e ao envelhecimento. Segundo Martinho 7 (1993) apud Santos (2005), os elastômeros sintéticos de melhor desempenho em mistura com os ligantes asfálticos são os copolímeros termoplásticos de butadieno e estireno (SBS). Othman, Figueroa e Aglan 8 (1995) apud Santos (2005) estudaram o efeito de ciclos térmicos de baixa temperatura no comportamento à fadiga de uma mistura com asfalto modificado com SBS e constataram uma maior resistência à fadiga na propagação de trincas do asfalto modificado em relação ao não-modificado, e isto pode ser atribuído à flexibilidade da mistura induzida pelo modificador SBS. 5 GONTIJO, P. R. A. A fadiga de misturas betuminosas Condição essencial no dimensionamento racional de pavimentos flexíveis. In: XV Reunião Anual de Pavimentação, ABPv, Anais vol. 15, pp Belo Horizonte, MG, MONISMITH, C.L.; DEACON, J. A. Fatigue of asphalt paving mixture. Proc. Of the American Society of Civil Engineers. Transportation Engineering Journal, Vol. 95, N o TE2, MARTINHO, F. G. Misturas asfálticas com polímeros na pavimentação urbana. In: 4ª Reunião de Pavimentação Urbana. ABPv, Maceió, AL, pp , OTHMAN, A.; FIGUEROA, L.; AGLAN, H. Fatigue behavior of Styren-Butadiene-Styrene modified asphaltic mixtures exposed to low-temperature cyclic aging. Transportation Research Record pp , Washington D.C., 1995

18 10 Outro tipo de asfalto modificado que merece destaque é o asfalto modificado por borracha de pneus moída (Crumb Rubber - CR). De acordo com Shih, Tia e Ruth9 apud Leite et al (2000), as propriedades mecânicas de misturas com borracha moída tendem a aumentar a vida de serviço do pavimento em cerca de 2 ou 3 vezes quando comparado com misturas com ligantes não-modificados, como indicado em ensaios de fadiga (SANTOS, 2005). Leite et al. 10 (2000) compararam 3 misturas asfálticas modificadas (EVA, SBS e CR) com uma não modificada (CAP 20) empregando ensaios de resistência à tração, módulo de resiliência, creep estático e dinâmico. Os resultados indicaram melhoria das propriedades da mistura devido à adição da borracha. A menor relação módulo de resiliência / resistência de tração foi obtida na mistura com borracha, indicando mais flexibilidade desta mistura, devido a um aumento na resistência à tração e redução no módulo de resiliência (SANTOS, 2005). De acordo com Leite et al. (2000), apesar do uso asfalto modificado por borracha apresentar um custo mais elevado, dependendo do tipo de mistura, isso pode ser uma vantagem porque permite o uso de camadas menos espessas para uma mesma vida de fadiga, e podendo também aumentar a resistência do pavimento. Vale ressaltar que isso não é uma regra, devendo ser desenvolvido um projeto específico com os materiais disponíveis na região de aplicação. A determinação do PG do ligante asfáltico pelo clima é realizada em função das temperaturas máxima e mínima do ar, e a seleção de um ligante pelo método Superpave começa pela determinação das temperaturas máxima e mínima do pavimento no local de projeto. Para auxiliar na seleção do ligante asfáltico devem ser coletados dados sobre o clima da região: Portanto, a seleção de um ligante asfáltico mais adequado para a construção de um revestimento deve ser baseada no tráfego que irá solicitar o pavimento e no clima da região em que será aplicada a mistura asfáltica Trincas por Fadiga O principal mecanismo de ruptura de pavimentos flexíveis no Brasil é a fadiga do revestimento asfáltico sob a ação de cargas repetidas de tráfego. A fadiga é um modo de ruptura associado às cargas, decorrente da passagem repetida das cargas dos veículos, causando a ruptura da camada após determinado número de ciclos. 9 SHIH, C.T., TIA, M., RUTH, B.E. Evaluation of aging characteristics of modified asphalts. Engineering properties of asphalt mixtures and the relation to performance, ASTM STP 1265, LEITE, L. F. M.; MOTTA, L. M. G.; BERNUCCI, L. B.; SOARES, J. B. Mechanical behavior of asphalt rubber mixes prepared in laboratory. In: Asphalt Rubber The Pavement Material of the 21 st Century Proceedings. Vilamoura, Portugal. Pp , 2000.

19 11 O fenômeno de fadiga tem sido definido como um processo de deterioração estrutural que sofre um material quando submetido a um estado de tensões e de deformações repetidas, resultando em trincas ou em fratura completa, após um certo número de repetições do carregamento, ou seja, é a perda de resistência que o material sofre, quando solicitado repetidamente por uma carga. Na Figura 5 estão caracterizadas as principais categorias de trincamento comumente presentes em estruturas de pavimentos flexíveis em concreto asfáltico (GONÇALVES, 1999). Figura 5: Progressão das trincas de fadiga em um pavimento flexível com revestimento de concreto asfáltico (Fonte: GONÇALVES, 1999).

20 12 Para a estimativa da vida de fadiga e das propriedades elásticas das misturas asfálticas dispõem-se de ensaios de laboratório dinâmicos que são os que melhor reproduzem as condições de carregamento induzidas pelo tráfego. Os ensaios dinâmicos usados para se determinar a vida de fadiga distinguem-se quanto ao processo empregado para desenvolver tensões e deformações repetidas, ou seja, por flexão, tração direta e tração indireta e quanto à geometria das amostras ensaiadas (GONÇALVES, 1999). O ensaio dinâmico a flexão alternada consiste em submeter uma vigota de concreto asfáltico simplesmente apoiada a duas cargas simétricas em relação ao seu centro, cargas estas que produzem um estado de tração uniforme na parte central do corpo de prova. A trinca que surge na vigota é geralmente única, formando-se na região onde o momento fletor é constante e máximo, o que reduz a dispersão dos ensaios em relação à vigota carregada apenas no seu ponto central (GONÇALVES, 1999). Ao longo das últimas três décadas, esforços consideráveis tem sido impetrados no sentido de se estabelecer métodos de projeto de pavimentos que possibilitem minimizar a ocorrência de trincamento por fadiga em pavimentos asfálticos. Para se determinar as propriedades de fadiga os seguintes procedimentos são usualmente adotados (GONÇALVES, 1999): Realização de ensaios de laboratório para estabelecimento de leis de fadiga para as misturas asfálticas; Estimativas das propriedades de fadiga com base em estudos realizados em materiais similares ou a partir de avaliação do desempenho de pavimentos em serviço através da análise comparativa do trincamento observado Deformação Permanente A ação de cargas de tráfego, aliada aos materiais e à variação climática, contribui para a formação deformações permanentes em pavimentos flexíveis, que permanecem mesmo após cessar a aplicação da carga no pavimento, isto é, possui um caráter residual (FONTES 11, 2009 apud ARAO, 2014). O desenvolvimento das deformações permanentes se caracteriza no aumento da sua profundidade e no aparecimento de outros tipos de defeitos. Em alguns casos, podem surgir cordões laterais longitudinais de mistura asfáltica da camada de desgaste, devido à fluência do material. As deformações desenvolvem-se gradualmente com o aumento das solicitações de cargas por eixo e aparecem como depressões longitudinais nas trilhas de roda, 11 FONTES, L. P. T. L. Optimização do Desempenho de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Borracha para Reabilitação de Pavimentos. Tese de Doutorado. Universidade do Minho. Universidade Federal de Santa Catarina. 545 p., 2009.

21 podendo ou não possuírem elevações laterais nas estradas (FONTES, 2009 apud ARAO, 2014). 13 A irregularidade do pavimento devido às variações longitudinais causadas pelas deformações permanentes originam os seguintes problemas: a diminuição da segurança, aumento do desconforto dos usuários e aumento do custo operacional dos veículos (FONTES, 2009 apud ARAO, 2014). As depressões também preocupam porque as deformações, em superfícies impermeáveis, com profundidade maiores que 5 mm podem causar problemas de aquaplanagem. Além disso, essas depressões dificultam a manutenção da direção do veículo e proporcionam uma maior insegurança na via (FONTES, 2009 apud ARAO, 2014). O fenômeno da deformação permanente é um processo complexo, pois ele é influenciado pelas propriedades e proporções de cada um dos componentes de uma mistura asfáltica (agregados, ligante e volume de vazios). A deformação permanente acontece com mais frequência no verão, já que a altas temperaturas a viscosidade do ligante asfáltico diminui e o carregamento do tráfego é suportado pelo agregado mineral. A resistência à deformação permanente é considerada como uma combinação de resistência do ligante e do agregado mineral (FONTES, 2009 apud ARAO, 2014) Trincas de Origem Térmica As trincas de origem térmica ocorrem somente em países frios, geralmente em temperaturas inferiores a -10ºC (Figura 6). A abertura das trincas é associada ao fenômeno da retração térmica, sendo que sua amplitude é função direta não só das variações de temperatura no interior da estrutura, mas também das propriedades das camadas asfálticas do pavimento. A intensidade desta solicitação depende da amplitude das variações diárias de temperatura a que o reforço se encontra submetido, dos valores absolutos das temperaturas, da taxa de variação das temperaturas, do coeficiente de retração térmica das misturas, das propriedades termomecânicas (viscoelásticas) dos materiais asfálticos, do espaçamento entre trincas e do tipo de ligação entre o revestimento e a camada subjacente (THIVES et al., 2011). Possui influência predominante do ligante e influência menor do agregado. No Brasil, esse tipo de defeito não é comum.

22 14 Figura 6: Exemplos de revestimento asfáltico em climas frios com trincas térmicas (Fonte: GONÇALVES, 1999).

23 15 4. MATERIAIS Os materiais empregados em qualquer camada do pavimento devem ser caracterizados e avaliados antes de ser aplicados na construção do pavimento. Os agregados representam um dos materiais mais importantes, pois o pavimento é constituído por diversas camadas compostas quase que totalmente por agregados. Em uma mistura asfáltica, o agregado representa cerca de 95%, sendo essencial a análise e avaliação da sua composição e resistência. É o principal responsável por problemas de deformação permanente. O ligante asfáltico é outro material importante na composição da mistura asfáltica, pois um teor inadequado pode refletir em problemas posteriores (como deformação permanente, segregação, desagregação, trincas e buracos). Os dois materiais em conjunto podem ser responsáveis pelo surgimento de trincas por fadiga. Segundo a FHWA (2002), o agregado mineral é responsável por, aproximadamente, 80% da resistência à deformação permanente de misturas asfálticas, e os outros 20% são dados pelas propriedades do ligante asfáltico. Com relação à fadiga, 60% da resistência é atribuída às propriedades do ligante asfáltico e 40% às propriedades dos agregados minerais, seja pelas suas características individuais, ou pela distribuição granulométrica da combinação dos mesmos Agregados Os agregados são materiais inertes, granulares, de composição mineral, tais como areia, pedregulho, conchas, escória e pedra britada, sem forma e dimensões definidas, com propriedades adequadas na composição de camadas ou misturas para utilização nos mais diversos tipos de obras. Quando misturado a um material cimentante constitui argamassa ou concreto, ou isoladamente é usado em camadas de base ou lastros ferroviários. Neste caso o interesse maior é pelos agregados utilizados nos serviços de pavimentação, onde são empregados nas misturas betuminosas. São resultantes de rochas fragmentadas em britadores, seixos rolados encontrados nos leitos dos rios, em jazidas resultantes de alterações de rocha e de escórias de alto-forno (SENÇO, 1997). Durante a mistura asfáltica, ocorrem interações entre os componentes do asfalto e a superfície do agregado. A avaliação das interações entre asfalto e agregado mostra que a química do agregado influencia muito nas interações com os ligantes, por exemplo: camadas de poeira que se depositam naturalmente na superfície do agregado podem enfraquecer as ligações químicas provocando falhas de coesão (SENÇO, 1997).

24 16 Os agregados sempre representam o maior volume em relação aos demais componentes nos sistemas em que fazem parte e, nas misturas asfálticas, sua participação é ainda maior (SENÇO, 1997). A Tabela 1 apresenta a classificação das rochas quanto às suas características para a obtenção dos agregados. Tabela 1: Rochas utilizadas para obtenção de agregados.

25 Ligantes Asfálticos Os ligantes asfálticos são produtos derivados do petróleo por processos industriais, utilizados na pavimentação. A Figura 7 apresenta o diagrama dos tipos de ligantes asfálticos e seus grupos, segundo a classificação do DNER e as definições pertinentes a cada classe de ligante asfáltico. Figura 7: Diagrama da classificação dos ligantes asfálticos, segundo o DNER (Fonte: MONTHÉ, 2009) Tipos Cimento Asfáltico de Petróleo CAP Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) é uma designação que indica a classificação do asfalto de acordo com as suas propriedades físicas (viscosidade e penetração), a fim de atender a critérios comerciais com o objetivo de assegurar o bom desempenho do material em sua

26 18 aplicação. A sigla CAP Cimento Asfáltico de Petróleo é seguida de um identificador numérico, que pode indicar os valores limites de penetração (por exemplo, CAP 50-70, indica que a penetração do ligante varia entre 50 e 70 décimos de milímetros) ou de viscosidade (por exemplo, CAP 20, onde o 20 corresponde ao limite inferior da viscosidade absoluta que varia entre poises). Basicamente, os CAP s são constituídos por 90 a 95% de hidrocarbonetos e 5 a 10% de heteroátomos (oxigênio, enxofre, nitrogênio e metais - vanádio, níquel, ferro, magnésio e cálcio) unidos entre si por ligações covalentes. Em geral, os CAP s brasileiros apresentam baixo teor de metais, enxofre e alto teor de nitrogênio, enquanto que os CAP s Árabes e venezuelanos apresentam alto teor de enxofre (LEITE, 1999). Possuem propriedades de adesivo termoviscoplástico impermeável à água e pouco reativo. O CAP apresenta-se semi-sólido à baixas temperaturas, viscoelástico à temperatura ambiente e líquido em altas temperaturas. É quase totalmente solúvel no benzeno, tricloroetileno ou bissulfeto de carbono. Sua composição química tem grande influência no desempenho físico e mecânico das misturas asfálticas. Porém, sua maior influência ocorre nos processos de incorporação dos agentes modificantes, tais como os polímeros (BERNUCCI et.al.,2008). Um estudo realizado por Gastauer et al. (2008) apud Leite (1999) classifica os CAP s segundo a fonte do petróleo, cujas classes dividem-se em naftênicos e parafínicos, os quais podem ser verificados na Tabela 02, que apresenta os resultados da composição química do CAP 50/70 de classe naftênica e parafínica, através do método SARA, que por sua vez, baseia-se na norma ASTM D4124. Tabela 2: Composição química do CAP 50/70. Até o ano de 2005, os CAP s eram separados em duas famílias de ligantes, especificados pela penetração e pela viscosidade absoluta. Por viscosidade, os CAP s eram divididos em: CAP-7, CAP-20 e CAP-40, o índice numérico corresponde ao início da faixa de viscosidade para cada

27 19 classe. Outra portaria da ANP classificava os CAP s em função do ensaio padronizado de penetração, que por sua vez eram classificados em: CAP 30-45; 50-60; e 150. Desta forma, quanto maior a penetração pela agulha padrão, mais mole é o CAP. Em julho de 2005, a ANP adotou uma nova especificação, unindo as duas especificações. A tabela 3 mostra a especificação dos CAP s adotada em Julho de 2005 pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis ANP. A qual está relacionada à viscosidade e ao ensaio de penetração. Os ensaios, denominados convencionais, e os métodos a que se referem nas especificações da ANP são citados a seguir e mais detalhados no item : a) Penetração: conforme a ABNT NBR 6576, determina a consistência do asfalto a partir de valores de penetração de uma agulha em uma amostra de asfalto sob condições padronizadas de ensaio (tempo, temperatura e carga); b) Ponto de amolecimento: conforme a ABNT NBR 6560, determina a temperatura em que a consistência de um ligante asfáltico passa do estado plástico ou semi-sólido para o estado líquido. O ensaio é conhecido como Método do Anel e Bola. c) Viscosidade cinemática: determina a viscosidade do material asfáltico a altas temperaturas, a partir do tempo de escoamento medido em segundos, empregando um determinado volume de amostra à temperatura constante, em equipamentos denominados viscosímetros do tipo capilares. Os métodos de ensaios são normalizados segundo a ASTM D2170, cuja precisão do método é na faixa de 30 a 6000 cst a 135 C, ou do tipo Saybolt, cuja norma de referência é a ASTM E102, que utiliza uma faixa de temperatura entre 120 e 240 C; d) Viscosidade absoluta: conforme a ASTM D2171, especifica a viscosidade do ligante asfáltico a 60 C, medida em viscosímetro a vácuo, cujo resultado é expresso em Poise. Este ensaio é semelhante ao da viscosidade cinemática que mede o tempo de escoamento, em segundos; e) Efeito do calor e do ar: conforme a ASTM D1754, simula as condições de usinagem do asfalto e os resultados obtidos, permitem avaliar a presença de frações de óleos mais leves e/ou a oxidação sob aquecimento a 163 C durante 5 h; f) Ductilidade: conforme a ASTM D113, determina a capacidade de um material asfáltico em alongar-se sem romper, quando submetido à tração em condições normalizadas; g) Ponto de fulgor: segundo a ASTM D92, indica a temperatura limite em que o CAP pode ser aquecido sem risco de inflamar-se quando em contato com a chama;

28 20 h) Solubilidade em tricloroetileno: conforme a ASTM D2042, é um ensaio que determina o teor de impurezas de origem mineral, separando-as da fração do CAP que age como ligante, sendo esta solúvel em tricloroetileno; i)índice de susceptibilidade térmica: expressa a variação da consistência em relação à temperatura na faixa de serviço dos pavimentos. j) Viscosidade de Brookfield: O ensaio para determinar a viscosidade aparente de ligantes asfálticos utiliza um viscosímetro rotacional cilíndrico que mede a viscosidade através do torque necessário para rodar uma haste de prova (spindle) imersa na amostra de asfalto quente, a velocidade constante. Para avaliar os vários tipos de ligantes asfálticos utiliza-se o método descrito na ABNT NBR (ABNT, 2004) (ODA, 2000) Asfalto Diluído de Petróleo (ADP) Conhecido também como cutback, são produzidos pela adição de um diluente volátil, geralmente nafta, querosene ou gasolina, com o objetivo de reduzir temporariamente sua viscosidade, facilitando a aplicação, exigindo temperaturas menores do que àquelas exigidas para a aplicação do cimento asfáltico de petróleo. Após a aplicação, os diluentes evaporam. A esta evaporação, denomina-se cura. Conforme a DNER ES 306/97, o principal uso do asfalto diluído em pavimentação relaciona-se ao serviço de imprimação de base de pavimentos, bem como em serviços de tratamento superficial. Porém, há uma tendência cada vez maior da redução do seu emprego, devido aos problemas relacionados à segurança e meio ambiente por causa da emissão de hidrocarbonetos orgânicos voláteis (BERNUCCI et.al., 2008) Emulsões Asfálticas de Petróleo EAP A emulsão é definida como uma mistura heterogênea entre dois ou mais líquidos imiscíveis, porém, quando mantidos em suspensão por meio de agitação ou por adição de um agente emulsificante, formam uma mistura estável (ABEDA, 2002). A Figura 8 apresenta o esquema de produção de emulsão asfáltica.

29 21 Figura 8: Esquema de produção de emulsão asfáltica (Fonte: adaptada de ABEDA, 2002). Conforme Bernucci et al. (2008), os dois líquidos presentes na mistura das emulsões asfálticas (EAP) são asfalto e água, as quais representam uma classe particular de emulsão óleo-água, tendo a fase óleo com alta viscosidade e os materiais não formam uma emulsão pela simples mistura entre ambos, sendo necessária a utilização de um agente emulsificante, para garantir a estabilidade da solução. Além disso, usa-se agitação mecânica em equipamentos denominados moinhos coloidais, que transforma o asfalto em pequenas partículas ou glóbulos. A proporção entre óleo e água é normalmente de 60% de óleo para 40% de água. A - Asfalto- CAP - Solvente - Água - Agentes emulsificantes Fase ligante 145 C Fase aquosa 50 C Moinho coloidal Emulsão asfaltica48 estabilidade da emulsão pode durar de semanas até meses, dependendo da sua formulação. As emulsões podem apresentar cargas de partícula positiva ou negativa, o que determina o tipo da emulsão, catiônica ou aniônica. Os agentes emulsificantes têm como função, reduzir a tensão superficial, permitindo que os glóbulos de asfalto permaneçam em suspensão na água por algum tempo, evitando assim que as partículas se reagrupem, fenômeno caracterizado como coalescência. Possui dois componentes com afinidades diferentes com a água e com o óleo, os quais são responsáveis pelas cargas elétricas finais apresentadas pela EAP. Por este motivo, o ensaio de carga de partícula é importante, pois determina o desempenho do produto na pavimentação. A Figura 9 mostra de maneira simplificada, a interação ou ruptura da emulsão, com caráter catiônico e é representado pelas esferas com sinal positivo (+) e o agregado, no exato momento em que estes entram em contato durante a pavimentação. A ruptura também recebe o nome de cura.

30 22 Figura 9: Ruptura da emulsão asfáltica (Fonte: adaptada de ABEDA, 2002). Conforme ABEDA, (2010) alguns exemplos de agentes mais utilizados como emulsificantes são: o sulfato de sódio, que produz emulsões aniônicas e as aminas, que produzem emulsões catiônicas. Dado o elevado desempenho nos serviços de pavimentação. É possível produzir também emulsões sem carga elétrica, que são denominadas não-iônicas. O uso da emulsão consiste em provocar a ruptura ou a quebra do equilíbrio frágil da mistura óleo-água, deixando os glóbulos livres para agruparem-se, resultando na reconstituição do asfalto residual, que se possível, deve ser igual ao original antes da emulsificação. As designações das classes das emulsões brasileiras são feitas em função: a) do tempo necessário para que ocorra a ruptura, que pode ser rápida, média ou lenta; b) do teor de asfalto contido na mesma; c) da carga iônica. De acordo com a resolução CNP 07/88, as características das emulsões estão especificadas conforme o anexo Asfaltos Oxidados ou Soprados de Uso Industrial Segundo Leite (1999) são asfaltos aquecidos e submetidos a ação de uma corrente de ar, com o objetivo de modificar as suas características normais, principalmente o ponto de amolecimento. Seu uso tem aplicações industriais em películas protetoras e impermeabilizantes. Este tipo de asfalto é menos dúctil e apresenta maior resistência às variações de temperatura. Os requisitos dos asfaltos soprados para impermeabilização são especificados pela norma ABNT NBR 9910/ Asfaltos Modificados (AMB ou AMP) Para ampliar a resistência dos pavimentos, os CAP s podem ser modificados pela adição de asfaltos naturais como gilsonita (EUA), asfaltita (Argentina) e o asfalto natural da ilha de Trinidad. Ou também pela adição de filer (cal, cimento, sílica, etc.), pela adição de fibras, como as de vidro, fibras celulósicas, poliméricas e asbestos. Ou pela adição de enxofre elementar. Atualmente emprega-se modificação por adição de polímeros, tais como o SBS, SBR, EVA, etc. e a adição de borracha moída de pneus (MAGALHÃES, 2004).

31 Agentes Rejuvenescedores AR São produtos especialmente formulados para o uso em reciclagem de pavimentos (em usina ou in situ). A reciclagem, por sua vez é uma técnica que visa a reutilização dos agregados e ligantes do revestimento antigo. O agente rejuvenescedor tem a função de reduzir a viscosidade e repor os compostos aromáticos e resinas do ligante, recompondo as suas características originais de ductilidade e consistência, ou as suas propriedades reológicas perdidas através do envelhecimento ao longo do tempo de uso do pavimento (BETUNEL, acessado em 08/08/10) Classificação A seleção de um ligante asfáltico envolve a análise das suas características reológicas, físicas e químicas. Historicamente, o parâmetro mais utilizado para classificar ligantes asfálticos é a sua consistência, que pode ser determinada através dos seguintes ensaios: penetração (ABNT/MB107); viscosidade absoluta a 60 o C (ASTM D2171); viscosidade cinemática a 135 o C (ASTM D2170) e ponto de amolecimento (Método Anel e Bola - ABNT/MB164). Visando a segurança durante o manuseio dos ligantes asfálticos, as especificações recomendam limites para o ponto de fulgor, pois se um ligante asfáltico é aquecido a uma temperatura muito elevada pode ocorrer a liberação de vapores do produto, suficientes para, em mistura com ar e na presença de uma chama, provocar uma centelha. O ponto de fulgor indica a temperatura acima da qual o asfalto pode ser considerado um produto inflamável, sempre que houver uma fonte de ignição. Para determinar o ponto de fulgor pode ser usado o método de vaso aberto de Cleveland (ABNT/MB50). Outro fator importante a ser analisado é o envelhecimento. Um cimento asfáltico é formado por moléculas orgânicas que reagem com o oxigênio do meio ambiente, ocasionando a oxidação, ou seja, a formação de uma estrutura mais dura e rígida. A oxidação aumenta com o aumento da temperatura. Os ligantes asfálticos, quando misturados ao agregado mineral, sofrem um envelhecimento substancial em um curto período de tempo. Posteriormente, durante a vida em serviço, os pavimentos são submetidos a determinadas condições ambientais e de carregamento que resultam no envelhecimento a longo prazo. Sendo assim, é importante simular o envelhecimento dos ligantes asfálticos durante as fases de produção e de aplicação e também durante a vida em serviço, sendo para isso realizados os ensaios de filme fino em estufa (TFOT), os ensaios de rotação de filme fino em estufa (RTFOT), e os ensaios de envelhecimento em vaso de pressão (PAV), respectivamente.

32 24 Apesar de não existir material similar aos ligantes asfálticos quanto à sua aplicabilidade na construção de pavimentos, muitas vezes seu emprego requer o uso de aditivos para melhorar suas propriedades físicas, mecânicas e químicas, o que acaba alterando as propriedades reológicas do ligante (particularmente, borracha de pneus moída) (PETROBRAS, 1996) Classificação por Penetração A primeira especificação dos ligantes asfálticos desenvolvida nos Estados Unidos era baseada na aparência do asfalto natural e em ensaios químicos, usados para determinar a quantidade de betume e de matérias orgânicas e inorgânicas presentes no asfalto. Com o crescimento da produção de misturas asfálticas, tornou-se evidente a necessidade de materiais que apresentassem uma determinada consistência para serem utilizadas na produção dessas misturas (ROBERTS et al., 1996). A classificação por penetração é baseada, principalmente, na consistência do cimento asfáltico a uma temperatura de 25 o C, considerada a temperatura média do pavimento em serviço, além de outros ensaios complementares. No Brasil, apresenta as classes 30/45, 50/70, 85/100 e 150/200 (tabela 3).

33 Tabela 3: Nova Especificação para Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) - Classificação por penetração. 25 (Fonte: BERNUCCI et al., 2008). A principal vantagem da especificação com base na penetração é que os ensaios são rápidos e necessitam de baixo custo de investimentos. As principais desvantagens da especificação com base na penetração são: os ensaios são empíricos: não avaliam tensões e deformações;

34 26 taxa de cisalhamento: alta e variável (agulha penetra mais rapidamente em asfaltos moles); incapaz de avaliar desempenho de materiais dependentes da taxa de cisalhamento (polímeros); penetrações similares a 25ºC não refletem grandes diferenças entre asfaltos: não fornece informações sobre o desempenho a temperaturas de mistura e de compactação Classificação por Viscosidade Em meados da década de 60, o Federal Highway Administration (FHWA), a American Society for Testing and Materials (ASTM), a AASHTO e alguns departamentos de estradas de rodagem mudaram o sistema de classificação com base na penetração a 25 o C para viscosidade a 60 o C. Os principais objetivos eram substituir o ensaio de penetração (empírico) por um ensaio de viscosidade (científico) e medir a consistência a 60 o C, que é a temperatura próxima da máxima temperatura que um pavimento atinge no verão (ROBERTS et al., 1996). No sistema de classificação por viscosidade, a unidade de medida é o poise, P (1P = 0,1 Pa.s). Essa classificação é baseada na viscosidade a 60 o C, que apresenta a temperatura máxima obtida na superfície do pavimento, sendo dividida nas classes CAP7, CAP20 (ligantes mais utilizados) e CAP 40. Vale lembrar que, no Brasil, em 2005, a classificação por viscosidade foi substituída pela classificação por penetração. Tabela 4: Especificações para Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) - Classificação por viscosidade vigente até julho de (Fonte: BERNUCCI et al., 2008).

35 27 As principais vantagens da especificação com base na viscosidade são: amplo intervalo de temperaturas; baseada na máxima temperatura da superfície do pavimento (60ºC); controla a máxima susceptibilidade térmica; informa sobre temperaturas de mistura e compactação. As principais desvantagens da especificação com base na viscosidade são: os ensaios são mais demorados; não é aplicável a materiais modificados; ampla faixa de propriedades para uma mesma classificação: falta de limite inferior para a susceptibilidade térmica Classificação Superpave As classificações convencionais por penetração e viscosidade apresentam limitações que não possibilitam selecionar o asfalto mais adequado para aplicar em uma camada asfáltica de um pavimento. Portanto, como parte da pesquisa desenvolvida pelo SHRP, denominada de Superpave, novos ensaios e especificações foram desenvolvidos de forma a caracterizar com mais precisão os ligantes asfálticos para uso em misturas asfálticas. Estes ensaios e especificações consideram os parâmetros das misturas asfálticas que podem ser correlacionados com o desempenho do pavimento em campo, tais como deformação permanente nas trilhas de rodas, trincas por fadiga e trincamento térmico. A Tabela 5 mostra como a classificação Superpave PG trata as limitações da classificação por penetração.

36 28 Tabela 5: Limitações da Classificação Convencional e Características da Especificação Superpave. Limitações da Classificação por Penetração Ensaios de penetração e ductilidade são empíricos e não relacionam diretamente com o desempenho do pavimento. Os ensaios são realizados em uma temperatura padrão sem considerar o clima do local em que o asfalto será aplicado. A faixa de temperatura considerada na classificação não atende todas as condições climáticas. Por exemplo, não existe um ensaio específico a baixa temperatura para medir a rigidez do ligante e prevenir o trincamento térmico. Os métodos de ensaios consideram apenas o envelhecimento de curto prazo, apesar do envelhecimento de longo prazo será um dos fatores mais significantes na formação de trincas por fadiga e trincamento térmico. Ligantes asfálticos podem ter características significativamente diferentes dentro do mesmo sistema de classificação. Asfaltos modificados não são apropriados para estes sistemas de classificação. Características da Especificação Superpave que trata das limitações As propriedades físicas medidas relacionam diretamente o desempenho do pavimento em campo com as propriedades de engenharia. Os critérios do ensaio permanecem iguais, no entanto, a temperatura de ensaio considera as condições climáticas do local de aplicação. As faixas de temperaturas consideradas na classificação atendem as condições climáticas de todos os locais de aplicação. Três idades críticas são simuladas e testadas: 1. ligante virgem: antes da mistura com o agregado. 2. ligante asfáltico envelhecido no curto prazo: após produção da mistura e construção. 3. ligante asfáltico envelhecido no longo prazo. A classificação é mais precisa e há menos sobreposição entre as faixas. Ensaios e especificações são adequados para classificar os ligantes asfálticos puros e os modificados. (Fonte: ROBERTS et al., 1996) Breve Histórico da Metodologia Superpave - Programa SHRP No final dos anos 1980 e início de 1990, o Strategic Highway Research Program (SHRP), conhecido como Programa SHRP, foi desenvolvido por engenheiros e pesquisadores de várias universidades e organizações de pesquisas americanas. O programa teve duração de 5 anos, e foram desenvolvidos novos métodos de ensaio, novas especificações para ligante asfáltico e agregados, e um novo procedimento para o projeto e análise de misturas asfálticas. Foram empregados cerca de US$150 milhões e os resultados dos estudos foram patenteados como Superpave (Superior Performing Asphalt Pavement) (ROBERTS et al., 1996; ASPHALT INSTITUTE, 2001; AASHTO, 2000 e 2001). Um dos principais resultados do Programa SHRP foi o novo procedimento de dosagem de mistura asfáltica denominado de Superpave, que foi desenvolvido para substituir os métodos Hveem e Marshall. A análise volumétrica, comum nos métodos Hveem Marshall, fornece a base para o Superpave. A metodologia Superpave é composta por uma análise criteriosa de materiais, ligante asfáltico e seleção agregado, e um método de dosagem de mistura asfáltica,

37 29 considerando características de tráfego e clima da região onde será construído o pavimento. Os equipamentos de compactação dos métodos Hveem e Marshall foram substituídos por um compactador giratório e o esforço de compactação empregado na dosagem da mistura asfáltica está relacionado ao tráfego esperado. A metodologia Superpave é composta por 7 etapas básicas: 1. Seleção dos agregados; 2. Seleção do ligante asfáltico; 3. Preparação da amostra (incluindo compactação da mistura asfáltica); 4. Realização de ensaios de desempenho; 5. Determinação de densidade e vazios da mistura asfáltica; 6. Seleção do teor ótimo de ligante asfáltico (teor de projeto); 7. Avaliação da susceptibilidade da mistura asfáltica. A metodologia Superpave está detalhada na publicação Superpave Mix Design do Asphalt Institute de Neste trabalho será abordada apenas a segunda etapa da metodologia, que trata da seleção do ligante asfáltico. Portanto, antes de tratar da seleção de ligantes asfálticos, será apresentada a forma de classificação Superpave. A classificação Superpave (PG) é baseada na ideia de que as propriedades de um asfalto deverão estar relacionadas com as condições em que o material é aplicado, ou seja, com as solicitações em campo. Para ligantes asfálticos, devem ser consideradas as condições climáticas e de envelhecimento do local da aplicação. Portanto, o sistema de PG utiliza uma série de ensaios comuns (como penetração e viscosidade), mas especifica que um ligante asfáltico deve ser submetido a esses ensaios a temperaturas específicas que variam de acordo com as condições climáticas específicas da área de aplicação (ASPHALT INSTITUTE, 2001). A classificação Superpave é composta por dois números: o primeiro número corresponde à temperatura mais elevada do pavimento, ou seja, aquela em que os ensaios que avaliam a resistência ao acúmulo de deformação permanente devem ser realizados. O segundo número corresponde à temperatura mínima do pavimento, aquela em que os ensaios que analisam a resistência às trincas por contração de origem térmica devem ser realizados (ASPHALT INSTITUTE, 2001). A Tabela 6 mostra o sistema de classificação de ligantes Superpave, onde os tipos PG 76 e 82 são necessários em climas muito quentes ou em locais de carregamento lento ou estático ou ainda tráfego excessivo de caminhões pesados.

38 30 Tabela 6: Tipos de ligantes Superpave Classificação a alta temperatura Classificação a baixa temperatura PG 46-34, -40, -46 PG 52-10, -16, -22, -28, -34, -40, -46 PG 58-16, -22, -28, -34, -40 PG 64-10, -16, -22, -28, -34, -40 PG 70-10, -16, -22, -28, -34, -40 PG 76-10, -16, -22, -28, -34 PG 82-10, -16, -22, -28, -34 Para determinar o valor do PG do ligante asfáltico são considerados os resultados dos ensaios reológicos desenvolvidos no Programa SHRP e adotados na especificação Superpave. Os ensaios considerados são: cisalhamento dinâmico empregando o reômetro (Dynamic Shear Rheometer, DSR) com a amostra virgem, após o envelhecimento de curto prazo (Roling Thin Film Test, RTFOT), após o envelhecimento de longo prazo (Pressure Aging Vessel, PAV), além do ensaio da amostra envelhecida no PAV realizado a baixas temperaturas com o reômetro de fluência de viga (Bending Beam Rheometer, BBR). A tabela da Figura 10 é o quadro-resumo padrão apresentado na AASHTO MP 1 (PAVEMENT INTERACTIVE, 2015) para a classificação Superpave do ligante asfáltico. Os seguintes itens podem ajudar a decifrar esta tabela: As linhas acima do termo ligante asfáltico virgem (original binder) são usadas para designar o grau PG desejado. Por exemplo, se a média das temperaturas máximas de 7 dias consecutivos do pavimento for superior a 52ºC, mas inferior a 58ºC você deve selecionar a coluna "<58". Os valores de temperaturas abaixo da célula "<58" célula são selecionados com base na temperatura mínima de pavimento em ºC. A especificação PG (por exemplo, PG 58-22) só determina a temperatura na qual os ensaios são executados. Os testes são executados com o ligante asfáltico virgem (sem envelhecimento), após envelhecimento no RTFO (envelhecimento de curto prazo) e após envelhecimento no PAV (envelhecimento de longo prazo), a fim de caracterizar e simular o desempenho do ligante asfáltico durante toda a sua vida em serviço. No entanto, alguns ensaios, além de ser realizados em diferentes temperaturas, também são executados com o ligante nas 3 condições (virgem, após envelhecimento de curto prazo e após envelhecimento de longo prazo). Por exemplo, o ensaio de cisalhamento dinâmico. Os ensaios necessários para a classificação Superpave estão listados na coluna da esquerda. Eles não são, necessariamente, listados pelos seus nomes comuns, mas pelo método de ensaio AASHTO seguido do valor limite. Por exemplo, "Flash Point Temp. T 48, Minimum (ºC)" significa que o ponto de fulgor é medido de acordo com a AASHTO T 48 e que o valor na coluna adjacente representa o valor mínimo permitido em graus Celsius.

39 31 Figura 10: Classificação Superpave de ligante asfáltico baseado no PG (Fonte: PAVEMENT INTERACTIVE, 2015).

40 Reologia de Ligantes Asfálticos Os materiais, de uma forma geral, apresentam um comportamento que varia de acordo com o tipo de solicitação (estática, dinâmica, longa ou curta duração), com as condições do meio ambiente (temperatura e umidade) e com as condições de confinamento. O estudo do comportamento tensão-deformação de um material, considerando-se também o tempo de aplicação do carregamento, se dá dentro da reologia. A caracterização de um ligante asfáltico geralmente é feita através de ensaios dinâmicos. Num ensaio dinâmico, a amostra de asfalto atinge uma condição estável após número limitado de ciclos. Nessa condição são determinados o pico de tensão e o pico de deformação, cuja razão é o valor absoluto do módulo de cisalhamento dinâmico ou módulo complexo, G*. O G* é, portanto, a medida da resistência total do material à deformação, quando exposto a pulsos repetidos de tensões de cisalhamento, e consiste de dois componentes: um elástico (recuperável) e um viscoso (não-recuperável). As setas indicam na Figura 13, G 1 * e G 2 *, que representam os módulos complexos dos asfaltos 1 e 2. Comportamento Viscoso v 1 G* 1 Comportamento Elástico e Viscoso v 2 G* 2 E1 E2 Comportamento Elástico Figura 11: Comportamento visco-elástico de materiais asfálticos a partir de ensaios dinâmicos (adaptada de ASPHALT INSTITUTE, 1995). O ângulo de fase,, é um indicador da quantidade de deformação recuperável e nãorecuperável e corresponde ao intervalo de tempo entre a aplicação da carga (tensão aplicada) e a resposta obtida (deformação) (Figura 4). Para materiais puramente elásticos, o ângulo de fase será zero, enquanto que para materiais puramente viscosos, será 90 o (ODA, 2000). Os valores de G* e dos asfaltos dependem da temperatura e da frequência de carregamento. A temperaturas altas, os asfaltos comportam-se como fluidos viscosos, sem nenhuma capacidade de recuperação ou restauração. Neste caso, a componente viscoso do asfalto é representada pelo eixo vertical (apenas o componente viscoso) na Figura 11, sem nenhum

41 33 componente elástico de G*, já que = 90 o. A baixas temperaturas (menores que -20 o C), os asfaltos comportam-se como sólidos elásticos e esta condição é representada pelo eixo horizontal (apenas o componente elástico) na Figura 12. Neste caso, não existe o componente viscoso de G*, já que = 0 o (ODA, 2000). Elástico: = 0 o máx máx Viscoso: = 90 o Tensão de Cisalhamento Aplicada Tempo máx mín máx mín Deformação de Cisalhamento Resultante Tempo mín defasagem mín Figura 12: Comportamento tensão-deformação de materiais asfálticos (adaptada de ASPHALT INSTITUTE, 1995) Ensaios Ensaios Convencionais Para controle de qualidade dos diferentes tipos de asfaltos foram desenvolvidos, desde o início do século XX, vários ensaios para a avaliação laboratorial e certificação de ligante asfálticos (ODA, 2000). a) Penetração A penetração dos ligantes asfálticos pode ser determinada segundo o método descrito na ABNT NBR 6576 (ABNT, 2007). Esse método serve para avaliar a consistência dos materiais betuminosos através da penetração, distância em décimos de milímetro que uma agulha padrão penetra verticalmente em uma amostra do material asfáltico sob condições específicas de temperatura (25 o C), carga (100 gramas) e tempo (5 segundos). A Figura 13 ilustra o equipamento utilizado na determinação da penetração de ligantes asfálticos (ODA, 2000).

42 34 Figuras 13(a), (b) e (c): Equipamento utilizado na determinação da penetração de ligantes asfálticos. b) Ponto de Amolecimento O ponto de amolecimento dos ligantes asfálticos pode ser determinado segundo o método descrito na ABNT NBR 6560 (ABNT, 2008), conhecido como Método do Anel e Bola. O ponto de amolecimento de um material é considerado como o valor de temperatura na qual a consistência de um ligante asfáltico passa do estado plástico ou semi-sólido para o estado líquido. No ensaio anel e bola é a temperatura lida no momento em que a esfera metálica padronizada atravessa o anel (também padronizado) cheio com o material asfáltico e toca uma placa de referência. A Figura 14 ilustra o equipamento utilizado na determinação do ponto de amolecimento de ligantes asfálticos (ODA, 2000). Figura 14: Equipamento utilizado na determinação do ponto de amolecimento de ligantes asfálticos - Método Anel e Bola. c) Ponto de Fulgor O ponto de fulgor de um ligante asfáltico é a temperatura na qual existe uma liberação de vapores suficiente para, em mistura com ar e na presença de uma chama, provocar uma

43 35 centelha. Portanto, indica a temperatura acima da qual o asfalto deve ser manuseado como produto inflamável, desde que haja uma fonte de ignição (faísca, chama etc.). É um ensaio muito prático que permite, também, verificar contaminação do asfalto por solvente e contaminação por água, cujo ponto de fulgor são mais baixos. O ponto de fulgor dos ligantes asfálticos pode ser determinado segundo o método descrito na ABNT NBR11341 (ABNT, 2008). A Figura 15 ilustra o equipamento utilizado na determinação do ponto de fulgor de ligantes asfálticos (ODA, 2000). Figura 15: Equipamento utilizado na determinação do ponto de fulgor de ligantes asfálticos. d) Viscosidade Saybolt-Furol A Viscosidade Saybolt de ligantes asfálticos pode ser determinada segundo o método descrito na ABNT/IBP/P-MB-517 (ABNT, 1971b). Este método fixa o processo de determinação da viscosidade Saybolt de materiais asfálticos. Viscosidade Saybolt (expressa em segundos) é o tempo necessário para o escoamento de 60 ml de material, no viscosímetro de Saybolt, sob determinadas condições de temperatura. Geralmente, essa temperatura varia com o tipo de asfalto, sendo que para os cimentos asfálticos são utilizadas temperaturas de 135 e 177 o C. A Figura 16 ilustra o equipamento utilizado na determinação da viscosidade Saybolt-Furol de materiais asfálticos (ODA, 2000).

44 36 Figura 16: Equipamento utilizado na determinação da viscosidade Saybolt-Furol. e) Ductilidade A ductilidade é determinada segundo a norma ABNT NBR 6293:2001. Define-se ductilidade como a capacidade de um asfalto sofrer deformações de sua massa. O ensaio mede a distância em que um corpo de prova padrão de asfalto é alongado até seu rompimento. Asfaltos empregados na construção rodoviária devem apresentar ductilidade elevada, maiores que 1,0 m (ODA, 2000). A Figura 17 mostra o equipamento utilizado no ensaio de ductilidade. Figura 17: Equipamento utilizado na determinação da ductilidade Ensaios Superpave Um dos objetivos do Programa SHRP foi desenvolver especificações de ligantes asfálticos com base no desempenho. Este objetivo foi baseado na premissa de que os métodos e especificações existentes e atualmente em uso não garantem um bom desempenho a longo prazo e que muito desses ensaios precisam ser revistos, substituídos ou eliminados. O Programa SHRP procurou desenvolver métodos de análise de materiais e de misturas asfálticas com base em propriedades fundamentais (módulo de rigidez, resistência à ruptura por fadiga e resistência à deformação permanente), ou seja, métodos baseados em propriedades diretamente relacionadas ao desempenho dos pavimentos em serviço. Os

45 37 principais ensaios do método Superpave para avaliar o comportamento de ligantes asfálticos são descritos a seguir (ODA, 2000). a) Viscosidade Aparente (Brookfield) O ensaio para determinar a viscosidade aparente de ligantes asfálticos utiliza um viscosímetro rotacional cilíndrico (Figura 18), que mede a viscosidade através do torque necessário para rodar uma haste de prova (spindle) imersa na amostra de asfalto quente, a velocidade constante. Para avaliar os vários tipos de ligantes asfálticos utiliza-se o método descrito na ABNT NBR (ABNT, 2004) (ODA, 2000). Figura 18: Viscosímetro Brookfield utilizado para determinar a viscosidade aparente de ligantes asfálticos. A quantidade de ligante asfáltico varia de 8 a 11 gramas, dependendo do tamanho da haste de prova (spindle). A viscosidade do ligante é usada para garantir um asfalto fluido o suficiente para ser bombeado, transportado e misturado com o agregado (ODA, 2000). b) Cisalhamento Dinâmico O ensaio de cisalhamento dinâmico (ASTM D 7175, 2008), realizado com o Reômetro de Cisalhamento Dinâmico (DSR, Dynamic Shear Rheometer, Figuras 19 e 20), é usado para caracterizar tanto o comportamento viscoso como o elástico, através da medida do módulo de cisalhamento complexo (G*) e do ângulo de fase ( ) dos ligantes asfálticos. O G* é a medida da resistência total do material à deformação quando exposto a pulsos repetidos de tensões de cisalhamento e consiste de um componente elástico (recuperável) e outro viscoso (nãorecuperável). O é um indicador da quantidade relativa de deformação recuperável e nãorecuperável (ODA, 2000).

46 38 Figura 19: Reômetro de cisalhamento dinâmico (Fonte: TA INSTRUMENTS, 1999). Figura 20: Esquema de um Reômetro de cisalhamento dinâmico (adaptada de TA INSTRUMENTS, 1999). O DSR avalia a rigidez do ligante asfáltico, função do módulo complexo e do ângulo de fase, sob condições de temperaturas máximas em serviço e a taxas de carregamento compatíveis com o tráfego (t = 0,1 s; v = 80 km/h). São ensaiadas amostras virgens ou envelhecidas em estufa de filme fino rotativo (RTFOT, envelhecimento de curto prazo), sendo estabelecidos valores mínimos capazes de garantir adequada resistência ao acúmulo de deformação permanente (G*/sen maiores que 1,0 kpa e 2,2 kpa, respectivamente para amostras virgens e envelhecidas no RTFOT) (ODA, 2000). O ensaio de cisalhamento dinâmico também é realizado com amostras envelhecidas em vaso de pressão (PAV, envelhecimento de longo prazo), sendo fixados valores máximos de rigidez para garantir elasticidade suficiente para prevenir o aparecimento de trincas por fadiga (G*sen menores que 5500 kpa). Os ensaios de ligantes usando um reômetro DSR Superpave são realizados a uma frequência de 10 radianos por segundo, que equivale a aproximadamente 1,59 Hz (ciclos por segundo) (ODA, 2000).

47 39 c) Envelhecimento de Curto Prazo O ensaio RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test ASTM D 2872), que simula o envelhecimento que ocorre na usina, tem duas finalidades: fornecer ligante asfáltico envelhecido para a realização de ensaios que avaliam a resistência ao acúmulo de deformação permanente e determinar a quantidade de voláteis perdida pelo asfalto durante o processo de envelhecimento. A perda de voláteis é um indicador do envelhecimento que pode ocorrer no asfalto durante a mistura em usina e a construção do pavimento (ODA, 2000). O envelhecimento em estufa de filme fino rotativo (RTFOT) é realizado em uma estufa à temperatura de 163 o C composta por um suporte que sustenta oito frascos com as amostras (Figura 21), sendo que no ponto baixo há, também, a injeção de ar. Para realizar o ensaio de envelhecimento no RTFOT, os frascos são preenchidos" com 35 0,5 gramas de ligante virgem (Figura 22). Os frascos com as amostras são colocados no suporte e submetidos a uma rotação de 15 revoluções por minuto. O fluxo de ar é introduzido a uma taxa de 4000 ml/min e as amostras são expostas a essas condições durante 80 5 minutos (ODA, 2000). Figuras 21(a) e (b): Estufa de Filme Fino Rotativo (Ensaio RTFOT). antes de encher após o enchimento após o ensaio Figura 22: Frascos utilizados no ensaio RTFOT (adaptada de ASPHALT INSTITUTE, 1995).

48 40 Após o envelhecimento, uma pequena parte do ligante envelhecido é submetida ao ensaio com o DSR, cerca de 50 gramas são submetidos ao envelhecimento acelerado em vaso de pressão (PAV) e o restante é armazenado para uso futuro. d) Envelhecimento de Longo Prazo O ensaio de envelhecimento acelerado (oxidação) de ligantes asfálticos (ASTM D 6521, 2008), por meio de ar sob pressão e temperatura elevada, em um vaso de pressão (PAV, Figura 23), utiliza o resíduo de material previamente submetido ao ensaio de rotação de filme fino em estufa para simular as propriedades físicas e químicas (envelhecimento) dos ligantes asfálticos após 5 a 10 anos de vida em serviço (ODA, 2000). Figura 23: Vaso de pressão (PAV) utilizado para envelhecimento acelerado de ligantes asfálticos. Deve-se destacar que o envelhecimento dos ligantes durante a vida em serviço também é afetado por variáveis associadas à mistura, tais como a dosagem, a permeabilidade e propriedade dos agregados, dentre outras. O ensaio de envelhecimento acelerado em vaso pressurizado permite uma avaliação da resistência relativa de diferentes ligantes à oxidação, sob temperaturas selecionadas, não levando em conta, porém, os fatores associados à mistura (ODA, 2000). e) Rigidez à Fluência na Flexão Para avaliar as propriedades dos ligantes a baixas temperaturas é utilizado o reômetro de viga à flexão (BBR, Bending Beam Rheometer, Figura 24), que mede a deflexão no ponto médio de uma viga prismática de ligante betuminoso (envelhecido no PAV), simplesmente apoiada, submetida a carregamento constante, também aplicado no meio do vão, por 240 s (ASTM D 6648, 2008) (ODA, 2000).

49 41 Figura 24: Reômetro de viga à flexão. O desempenho de misturas asfálticas é previsto a partir da resposta tensão-deformação do ligante, uma vez que a resistência ao aparecimento de trincas por contração de origem térmica depende da rigidez à fluência. A especificação Superpave recomenda que o valor da rigidez, S, no ensaio BBR seja menor que 300 MPa a 60 segundos. Analogamente, ligantes com altos valores de m (módulo de relaxação) são mais eficientes na dissipação das tensões formadas durante a contração do ligante, quando a temperatura do pavimento cai abruptamente, minimizando a formação de trincas e fissuras. Segundo a especificação Superpave, o m, calculado para t = 60 s, deve ser maior ou igual a 0,300 (ODA, 2000). Alguns ligantes, particularmente os modificados com polímeros, podem exibir uma rigidez estática a baixa temperatura maior do que o desejado e, assim mesmo, não trincar a baixas temperaturas devido a capacidade de deformar sem romper (ODA, 2000).

50 42 5. DETERMINAÇÃO DO PG DO LIGANTE ASFÁLTICO Para determinar o PG do ligante asfáltico devem ser realizados os seguintes ensaios Superpave: I. Ensaio de cisalhamento dinâmico com o DSR (Dynamic Shear Rheometer) com material virgem em diferentes temperaturas (52, 58, 64, 70, 76 etc.) - ASTM D 7175:2008 Determinação dos parâmetros G*, ângulo de fase ( ) e G*/sen Seleção da temperatura que atenda o limite de G*/ sen 1,0 kpa II. Envelhecimento do ligante asfáltico no RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) - ASTM D 2872:1997 III. Ensaio de cisalhamento dinâmico com material envelhecido no RTFOT em diferentes temperaturas (52, 58, 64, 70, 76 etc.) Determinação dos parâmetros G*, ângulo de fase ( ) e G*/sen Seleção da temperatura que atenda o limite de G*/ sen 2,2 kpa IV. Envelhecimento do ligante asfáltico no PAV (Pressure Aging Vessel) - ASTM D 6521: 2008 V. Ensaio de cisalhamento dinâmico com material envelhecido no PAV em diferentes temperaturas (34, 31, 28, 25, 22 etc.) Determinação dos parâmetros G*, ângulo de fase ( ) e G*sen Seleção da temperatura que atenda o limite de G* sen 5500 kpa VI. Ensaio de rigidez à fluência na Flexão BBR (Bending Beam Rheometer) com material envelhecido no PAV em diferentes temperaturas (0, -6, -12 etc.) - ASTM D 6648:2001 Seleção da temperatura que atenda o limite de S 300 e m>0,300 Exemplo de como determinar o PG do ligante asfáltico As Tabelas 7 a 10 apresentam os resultados de ensaios Superpave. Tabela 7: Resultados de Cisalhamento Dinâmico - Amostra virgem - G*/ sen 1,0 kpa Temperatura do ensaio (ºC) 58,0 64,0 70,0 76,0 82,0 N amostra Descrição ( ) G*/sen G*/sen G*/sen G*/sen G*/sen ( ) ( ) ( ) ( ) (kpa) (kpa) (kpa) (kpa) (kpa) 5235/06 CAP A 88,4 2,73 88,5 1,27 87,9 0, /06 CAP B 88,4 3,32 88,9 1,44 89,2 0, /06 CAP C 68,1 3,68 62,8 2,19 56,2 1,55 51,1 1, /06 CAP D 68,3 1,71 67,2 0,99 Tabela 8: Resultados de Cisalhamento Dinâmico - Após RTFOT - G*/ sen 2,2 kpa Temperatura do ensaio (ºC) 58,0 64,0 70,0 76,0 82,0 N amostra Descrição ( ) G*/sen G*/sen G*/sen G*/sen G*/sen ( ) ( ) ( ) ( ) (kpa) (kpa) (kpa) (kpa) (kpa) 5235/06 CAP A 86,0 13,75 87,4 5,40 88,4 2,32 89,0 1, /06 CAP B 85,7 7,91 87,2 3,21 88,2 1, /06 CAP C 72,3 5,66 71,6 2,94 68,9 1, /06 CAP D 73,2 7,23 73,9 3,61 74,6 1,90

51 43 Tabela 9: Resultados de Cisalhamento Dinâmico - Após PAV - G* sen 5500 kpa Temperatura do ensaio (ºC) 31,0 28,0 25,0 22,0 19,0 N amostra Descrição ( ) G*sen G*sen G*sen G*sen G*sen ( ) ( ) ( ) ( ) (kpa) (kpa) (kpa) (kpa) (kpa) 5235/06 CAP A 59, , /06 CAP B 61, , , /06 CAP C 61, , , , , /06 CAP D 56, , Tabela 10: Resultados de Rigidez à fluência na Flexão - S 300 e m>0,300 Temperatura do ensaio (ºC) -12,0-6,0 0,0 N amostra Descrição S (MPa) m S (MPa) m S (MPa) m 5235/06 CAP A 421 0, , /06 CAP B 378 0, , /06 CAP C 236 0, /06 CAP D 199 0,386 A partir da análise dos resultados dos ensaios foi feita a seleção das temperaturas que atendam os limites da especificação e determinados os PGs para cada CAP, conforme mostra a Tabela 11. Tabela 11: Determinação do PG das amostras do exemplo. N amostra Descrição DSR DSR DSR Amostra virgem Após RTFOT Após PAV BBR PG 5235/06 CAP A /06 CAP B /06 CAP C /06 CAP D A Figura 25 mostra a determinação do PG para o CAP A do exemplo apresentado. Figura 25: Exemplo de seleção do PG para o CAP A.

52 44 6. SELEÇÃO DE LIGANTES ASFÁLTICOS PELO MÉTODO SUPERPAVE O Superpave possui três métodos para auxiliar na seleção de um ligante asfáltico: pela área geográfica: desenvolvimento de um mapa mostrando o tipo de ligante com base no clima e/ou em normas e orientações; pela temperatura do pavimento: necessidade de conhecer as temperaturas (máxima e mínima) do projeto do pavimento; pela temperatura do ar: necessidade de determinar as temperaturas do ar para convertê-las em temperaturas de projeto (do pavimento). No Brasil, ainda não é comum o uso do PG para selecionar o ligante mais adequado. Só foram desenvolvidos alguns trabalhos científicos. A Figura 26 mostra o mapa do Brasil com alguns valores de PG. Figura 26: Classificação PG a partir de dados de temperaturas Fonte: LEITE e TONIAL, 1994). A seleção de um ligante pelo método Superpave começa pela determinação do PG da região onde será feita a construção do pavimento. Para isso, é necessário conhecer as temperaturas máxima e mínima do pavimento no local de projeto (exemplo da Figura 27). Essas temperaturas são determinadas a partir de dados de temperaturas (média das temperaturas máximas de 7 dias consecutivos e temperatura mínima do ar) da região onde será construído o pavimento.

53 45 A temperatura máxima de projeto pode ser determinada pela seguinte expressão (MOHSENI e CARPENTER, 2004): T máx = 32,7 + [0,837 T ar ] - [0,0029Lat 2 ] + z [ 2 ar + δ 2 modelo] 0,5 (1) onde: T máx = temperatura máxima do pavimento a 20 mm de profundidade, em o C; T ar = maior valor médio das temperaturas máximas de 7 dias consecutivos, em o C; Lat = latitude da região de projeto, em graus; z = da tabela de distribuição normal, z = 2,055 para 98% de confiabilidade; δ modelo : = erro padrão do modelo = 2,1ºC; ar = desvio padrão da temperatura média mínima do ar em um ano típico, em o C. A temperatura mínima de projeto pode ser determinada utilizando-se a seguinte equação (FHWA, 1998 e BOSSCHER, 2000): T mín = -1,56 + [0,72 T ar ] - [0,004 Lat 2 ] + [6,26 log(h+25)] - z [4,4 + 0,52 2 ar ] 0,5 (2) onde: T min = temperatura mínima do revestimento asfáltico abaixo da superfície, em o C; T ar = temperatura mínima do ar em um ano típico, em o C; Lat = latitude geográfica da região de projeto, em graus; H = profundidade a partir da superfície, em mm; z = da tabela de distribuição normal, z = 2,055 para 98% de confiabilidade; ar = desvio padrão da temperatura média mínima do ar em um ano típico, em o C. Figura 27: Exemplo de classificação PG a partir das temperaturas máximas e mínimas do pavimento.

54 46 Vale ressaltar que a seleção do ligante asfáltico Superpave deve considerar ainda duas condições: velocidade de carregamento e o volume de tráfego. A velocidade de carregamento prevista nas especificações dos ensaios é de 10 rad/s, que corresponde a um tráfego a uma velocidade de aproximadamente 90 km/h. No entanto, em locais como paradas de ônibus, pedágios, estacionamentos, a velocidade de carregamento é muito menor que a estabelecida nas especificações. Verificou-se que a determinação de parâmetros reológicos, realizada a velocidades bem menores, como, por exemplo, 1 rad/s, que equivale a 8 km/h, reduz a resistência à deformação permanente. Para compatibilizar essas situações de baixa velocidade, o Superpave recomenda que o grau a alta temperatura seja elevado de 6 a 12ºC. Por exemplo, se o ligante selecionado pelo clima for PG 64-22, para atender baixas velocidades de carregamento deve ser aumentado um PG (ou seja, aumentar 6 graus na temperatura mais alta), chegando a PG Se estiver previsto carregamento estacionário deve ser aumentado dois PG (ou seja, aumentar 12 graus na temperatura mais alta) chegando o PG Os PG 76 e 82 não correspondem a condições climáticas habituais nos EUA, mas foram criados em função das solicitações de carregamento de baixa velocidade (ASPHALT INSTITUTE, 2010). Recomenda-se ainda que, além da velocidade de carregamento, o volume de tráfego seja levado em consideração na seleção do ligante. Quando o volume de tráfego expresso pelo número N exceder certo valor, considera-se aumento de 1 PG no grau quente, ou seja, 6ºC. Quando o volume de tráfego exceder um segundo patamar considera-se aumento de 2 PG, ou seja, 12ºC no grau quente. Por exemplo, em um projeto em que a seleção de clima foi de PG 58-22, mas que o tráfego previsto seja muito elevado deve ser selecionado um ligante de PG (ASPHALT INSTITUTE, 2010).

55 47 7. ESTUDO DE CASO 7.1. Características da Região A região de estudo é a cidade do Rio de Janeiro, localizada na região Sudeste do Brasil. A cidade do Rio de Janeiro está situada a 22º54'23" de latitude sul e 43º10'21" de longitude oeste, no município do mesmo nome: é a capital do Estado do Rio de Janeiro (WIKIPEDIA, 2015). Figura 28: Fotografia parcial da Região Metropolitana do Rio de Janeiro, registrada a partir da Estação Espacial Internacional, à noite (Fonte: WIKIPEDIA, 2015). Em termos de população é a segunda maior cidade do Brasil (depois de São Paulo), a sexta maior da América e a trigésima quinta mais populosa do mundo. Em 2010, a população do Rio de Janeiro segundo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) era de habitantes (39,5% da população estadual), sendo que 46,83% eram homens e 53,17% de mulheres. Ainda segundo o mesmo censo, 100% da população era urbana. Sua região metropolitana, com habitantes, é a segunda maior conurbação do Brasil, a terceira da América do Sul e a 23ª do mundo. A densidade populacional era 5.265,81 hab/km² (WIKIPEDIA, 2015).

56 48 Seu litoral tem 197 quilômetros de extensão e inclui mais de cem ilhas que ocupam 37 km², e desdobra-se em três partes, voltadas à baía de Sepetiba, ao oceano Atlântico e à baía de Guanabara. O litoral da baía de Sepetiba tem como único acidente geográfico de expressão a Restinga da Marambaia e é arenoso, baixo e pouco recortado. O litoral da baía de Guanabara é recortado, baixo, abarca muitas ilhas (como a do Governador com de 29 km²) e, em suas margens, situam-se o centro comercial e os subúrbios industriais (WIKIPEDIA, 2015). Atualmente, o Município do Rio de Janeiro é a segunda metrópole do País com uma área de 1224,56 km 2, dividida em quatro regiões geográficas comumente conhecidas como: Centro, Zona Norte, Zona Sul e Zona Oeste (Figura 31). O município do Rio de Janeiro é dividido em 160 bairros, agrupados em 33 regiões administrativas, e em sete subprefeituras. Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, o mais populoso da capital fluminense é Campo Grande, com habitantes. A região oeste concentra grande parte dos bairros mais populosos do município, tendo um alto crescimento populacional, mas não um desenvolvimento similar, causando indevidas aglomerações e segregações. Outros bairros com população igual ou superior a cem mil habitantes são Bangu ( ), Santa Cruz ( ), Realengo ( ), Tijuca ( ), Jacarepaguá ( ), Copacabana ( ), Barra de Tijuca ( ), Maré ( ), Guaratiba ( ), Senador Camará ( ) e Taquara ( ). Nos bairros da região sul, há alta concentração de idosos, como Copacabana, em que quase 25% de seus moradores são idosos (WIKIPEDIA, 2015). Zona Oeste Zona Norte Zona Sul Zona Central Figura 29: Subdivisões de bairros da cidade do Rio de Janeiro (Fonte: WIKIPEDIA, 2015). O clima do Rio de Janeiro é o tropical atlântico, com variações locais, devido às diferenças de altitude, vegetação e proximidade do oceano. Por se tratar de uma cidade litorânea, o efeito da maritimidade é perceptível, traduzindo-se em amplitudes térmicas relativamente baixas. Os

57 49 verões são quentes e úmidos e ocasionalmente com temporais. Segundo dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), desde 1961 a menor temperatura já registrada no Rio de Janeiro (estação convencional da Praça Mauá, no bairro da Saúde) foi de 10,1ºC em 18 de outubro de 1977, e a maior atingiu 42ºC em 1º de dezembro de 2002, o maior acumulado de precipitação em 24 horas foi de 178,5 milímetros em 6 de abril de 2010, e o maior volume em um mês foi de 472,9 milímetros em janeiro de 1972; o menor índice de umidade relativa do ar foi de 26% em 10 de março de Apenas para ilustrar, a Figura 30, mostra esses valores de temperatura (WIKIPEDIA, 2015). Dados climatológicos para Rio de Janeiro Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Ano Temperatura máxima registrada ( C) Temperatura máxima média ( C) Temperatura média ( C) Temperatura mínima média ( C) Temperatura mínima registrada ( C) 40,9 41, ,3 36,3 35,9 34,9 38,9 40,6 40,7 40, ,2 30,2 29,4 27,8 26,4 25, ,5 25, ,4 28,6 27,3 26,3 26, ,4 22,8 21,8 21,3 21,8 22,2 22, ,3 23,8 23,3 23,5 23,3 21,9 20,4 18,7 18,4 18,9 19,2 20,2 21,4 22, ,7 18,9 18,6 16,2 11,1 11,6 12,2 10,6 10,2 10,1 15,1 17,1 10,1 Fonte: Instituto Nacional de Meteorologia Figura 30: Temperaturas máxima e mínima (médias climatológicas de 1961 a 1990; recordes de temperatura de 1961 a 2013) (Fonte: WIKIPEDIA, 2015) Trechos selecionados O objetivo do trabalho era identificar o PG e o ligante mais adequado para o maior número de vias da cidade do Rio de Janeiro. No entanto, foram selecionados apenas 6 trechos em função dos postos de coletas de temperaturas disponíveis para a pesquisa. Os dados de VDM das vias foram obtidos da planilha de VOLUME DIÁRIO DE VEÍCULOS DAS PRINCIPAIS VIAS DO MUNICÍPIO DO RIO DE JANEIRO referentes ao ano de 2014 que está disponível no site da Prefeitura da Cidade do Rio de Janeiro. A Tabela 12 apresenta o VDM dos trechos selecionados e o Anexo A a planilha completa.

58 50 Tabela 12: Volume diário de Veículos dos trechos selecionados Posto Metereológico Correspondente Via analisada VDM A Forte de Copacabana Av. Nossa Senhora de Copacabana próx ao nº A Forte de Copacabana Túnel Rebouças A Vila Militar Estr. Intendente Magalhães próx. ao nº A Vila Militar Av. Brasil, Km 28, A Jacarepaguá Av. Lúcio Costa próx. ao Km 6, A Jacarepaguá Linha Amarela, Km 5, (Fonte: CET-Rio) Temperatura Os dados de temperaturas foram coletados no site do INMET - Instituto Nacional de Metereologia (INMET, 2015). Infelizmente, o site disponibiliza dados de temperaturas de apenas 3 postos na cidade do Rio de Janeiro. Dessa forma, foram obtidas informações climáticas em três postos de coleta localizados nos seguintes locais: Posto A654 Jacarepaguá

59 51 Posto A652 Forte de Copacabana Posto A651 Vila Militar A Tabela 13 apresenta as temperaturas mínima e máxima, latitude e longitude dos postos de coleta nos seguintes períodos: 2012, 2013 e 2014.