Avaliação do Comportamento Mecânico do Material Fresado Misturado com Aglomerantes e Adições Minerais

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1 Avaliação do Comportamento Mecânico do Material Fresado Misturado com Aglomerantes e Adições Minerais Priscilla Rodrigues Fontoura Universidade Federal do Pampa, Alegrete, Brasil, priscilla.fontoura@hotmail.com Jaelson Budny Universidade Federal do Pampa, Alegrete, Brasil, jaelsonbudny@unipampa.edu.br Ederli Maragon Universidade Federal do Pampa, Alegrete, Brasil, ederlimarangon@unipampa.edu.br Magnos Baroni Universidade Federal do Pampa, Alegrete, Brasil, magnosbaroni@unipampa.edu.br RESUMO O presente estudo tem como objetivo analisar o desempenho do material fresado misturado com aglomerantes e adições minerais quanto à resistência à tração por compressão diametral, com o intuito de avaliar a sua aplicação em camadas de base e sub-base de pavimentos. Os materiais utilizados foram o material fresado de pavimento asfáltico e pó de pedra, tendo como agomerantes o cimento Portland pozolânico CP-IV e a cal hidratada dolomítica CH-II, como adiçõs minerais a sílica da casca de arroz e cinza volante. Foram moldados corpos de prova cilíndricos com dimensões 10cm de diametro e 5cm de altura com energia modificada do ensaio Proctor e realizados ensaios de compressão diametral, sendo que as adições foram realizadas em diferentes teores. Os resultados indicam que os quantitativos da mistura que obteve a maior resistência à tração por compressão diametral foi composta por 80% de material fresado e 20% de pó de pedra, contendo adições de 5% de cimento e 5% de sílica da casca de arroz. Essa mistura obteve resistência a tração por compressão diametral superior a 1,15 MPa. Com relação aos 10 traços ensaiados, pode se observar que as misturas que continham adição de sílica e cinza volante sem nenhum aglomerante, não apresentaram melhora na resistência a tração por compressão diametral. PALAVRAS-CHAVE: Material fresado; Adições químicas; Resistência à tração por compressão diametral. 1 INTRODUÇÃO A malha rodoviária constitui uma infraestrutura de fundamental importância na economia e desenvolvimento do país, sendo assim é preciso que apresente qualidade satisfatória para o tráfego de veículos. No Brasil, o transporte rodoviário representa mais de 60% das cargas e 90% dos passageiros, Specht et al., (2012). As obras de infra-estrutura e habitação ganharam impulso através de novas políticas públicas brasileiras, o que mostra um cenário positivo para as áreas da Engenharia. Neste contexto, o desenvolvimento de novos materiais e técnicas construtivas na Engenharia Civil pode possibilitar por exemplo à execução de pavimentos menos onerosos ou até mesmo a reciclagem e reaproveitamento de materiais, visando reduzir a execução de recapeamentos nas rodovias. A reciclagem de pavimentos é uma técnica já conhecida e empregada no Brasil desde a década de 80. Ela utiliza o material asfáltico

2 fresado para realizar novas misturas e pode ser aplicada como nova camada de rolamento ou como camada de base reforçada. Apesar de muitas obras já utilizarem esse processo, não é possível afirmar que esta técnica é disseminada no meio rodoviário, Specht et al., (2012). A reutilização de material fresado de pavimentos asfálticos na Engenharia Civil envolve diversas soluções criativas e aplicações diversificadas; não existe ainda uma tecnologia ideal, pois a definição do processo depende de fatores como: qualidade, tamanho e volume de material, proximidade de mercado, tipo de consumidores, investimento necessário, além de incentivos fiscais e financeiros. Para o desenvolvimento e avanço das tecnologias voltadas para a reutilização e a reciclagem de materiais fresados é necessário um esforço conjunto de empresas, governo e sociedade. Diante desde contexto apresentar-se-á a possibilidade utilização de materiais fresados de pavimentos asfálticos melhorados quimicamente em camadas de base de pavimentos. Baseando-se em ensaios laboratoriais são apresentados os resultados e comentários a respeito de 60 ensaios de resistência a compressão diametral realizados em corpos de prova moldados com 10 diferentes traços. 2 PAVIMENTOS FLÉXIVEIS 2.1 Estrutura de pavimentos asfálticos As estruturas de pavimento são projetadas para resistirem a numerosas solicitações de carga, dentro do período de projeto, sem que ocorram danos estruturais fora do aceitável e previsto, Bernuci et al., (2006). De acordo com Balbo (2007) a estrutura do pavimento é idealizada para receber e transmitir esforços de modo que ocorra um alívio das pressões nas camadas inferiores, que geralmente são menos resistentes conforme ilustrado na Figura 1. A camada de subleito é a fundação do pavimento, já o reforço do subleito é utilizado quando o subleito não apresenta capacidade de suporte e geralmente é aplicada para evitar camadas de base e sub-base muito espessas. Figura 1. Camadas genéricas de um pavimento O sucesso dos pavimentos rodoviários depende muito do desempenho estrutural da sua camada de base, pois é esta que assegura, em grande parte, a capacidade de carga para suportar o tráfego previsto, Santos (2009). De acordo com as normas NBR 12253/92 e DNIT 143/ ES elaboradas para solocimento, a resistência mínima aceitável para utilização deste material como base de pavimentos é 2,1 MPa com 7 dias de cura. 2.2 Fresagem de pavimentos asfálticos No meio rodoviário, o termo fresagem define o corte de uma ou mais camadas do pavimento, utilizando a fresadora, um equipamento que possui um cortador giratório, acionado por processo mecânico contínuo, Araujo (2004). A fresagem pode ser realizada a frio ou a quente. Na fresagem a frio ocorre um aumento na quebra dos agregados, o que altera a curva granulométrica do material existente. Já na fresagem a quente, é feito um pré-aquecimento do revestimento diminuindo a resistência ao corte do material, não havendo grandes alterações na curva granulométrica, Bonfim (2001). O material fresado é formado pelo agregado britado e por grumos de cimento asfáltico de petróleo (CAP). Esses grumos aglomeram os finos e alteram a curva granulométrica do material. Nesse sentido, é possível afirmar que a granulometria do material fresado sofre influência da velocidade de operação da máquina fresadora, da técnica de fresagem utilizada e do sentido de giro do cilindro fresador, Bonfim (2001).

3 2.4 Estabilização química A estabilização química é utilizada para que o solo tenha condições de resistir a deformações quando aplicado em um pavimento, Senço (2001). A estabilização do material fresado surge como alternativa ao uso de britas, que geralmente são utilizadas para em misturas asfálticas. O processo de estabilização proporciona estruturas de pavimentos com bom desempenho e durabilidade, podendo ser realizada tanto por métodos mecânicos (correção granulométrica) quanto por métodos físico-químicos, utilizando aditivos como cal e cimento, Lovato (2004). Quando se realiza a estabilização utilizando cal, podem ocorrer mudanças nas propriedades, como melhoria da trabalhabilidade, alteração da plasticidade e aumento da resistência, Araújo (2004). O teor de cal a ser adicionado na mistura é determinado realizando várias misturas com diferentes teores, sendo analisada a influência da adição na granulometria, nos limites de consistência e na resistência, Branco, et al., (2008). A adição de cimento tem por finalidade o incremento de resistência e a durabilidade quando há presença de água, Araújo (2004). Como o material fresado apresenta características granulares, Almeida (2009), considera que estes são mais adequados para mistura, pois atingem maior resistência com menor teor de cimento. Também é importante distinguir a atuação da adição de cimento nos diferentes tipos de solo, nos solos finos é formado um esqueleto, onde as partículas são envolvidas pela pasta. Em solos granulares, onde as partículas possuem dimensões maiores, o cimento somente cria ligações puntuais entre elas. A utilização de sílica da casca de arroz na estabilização deve ser realizada em conjunto com outro estabilizante, como cal ou cimento. A estabilização altera as propriedades físicas e mecânicas dos materiais, apresentando melhorias na plasticidade, resistência e durabilidade, Behak (2007). A utilização desse material como adição se justifica pelas reações que podem ocorrer entre os compostos quimicamente ativos da sílica com o hidróxido de cálcio presente na cal hidratada (Marangon et. al., 2013). Tratando-se da adição de cinza volante como estabilizante químico, pode-se afirmar que as cinzas oriundas da combustão do carvão mineral apresentam propriedades físicoquímicas que são influenciadas por fatores como a composição, o grau de beneficiamento do carvão e o sistema de extração das cinzas. As cinzas volantes quando misturadas com a cal podem desenvolver reações pozolânicas e apresentar características semelhantes à mistura solo/cal, Camara, et al., (2011). 3 METODOLOGIA 3.1 Materiais O material fresado utilizado no estudo foi retirado de um trecho da BR 290, próximo à cidade de Rosário do Sul - RS, sendo que sua extração foi realizada pela técnica de fresagem a frio. O material fresado foi peneirado e a fração de material utilizada foi a passante na peneira 9,5 mm enquanto a fração de pó de pedra utilizada nas misturas foi a passante na peneira 4,8 mm. Este peneiramento foi realizado no intuído de uniformizar o material fresado, e retirando da mistura alguns grumos de material que resultaram da fresagem. O pó de pedra foi obtido em pedreira localizada na cidade de Alegrete, na latitude (29 50'13.46") Sul e longitude (55 46'27.01") Oeste. Ele é oriundo de rocha basáltica básica da formação Serra Geral, semelhante à encontrada em outros pontos do estado de RS e considerada a mais representativa desta região do país. O derrame basáltico cobre, aproximadamente, 54% do território gaúcho. A Figura 2 mostra as curvas granulométricas do material fresado e do pó de pedra utilizado, as curvas foram obtidas apenas por peneiramento até a peneira de abertura de 0,075mm.

4 Cada mistura foi preparada com porções de 5 kg sendo 4 kg de material fresado e 1 kg de pó de pedra e diferentes teores de aglomerantes e adições minerais. Foram realizadas 10 diferentes misturas. As proporções estão identificadas na Tabela 1. Figura 2. Curva granulométrica do material fresado e do pó de pedra Os materiais que serviram como aglomerantes foram, o cimento Portland CP IV 32 e a cal hidratada CH-II de origem dolomítica. Foram utilizadas duas adições minerais, a sílica da casca de arroz e a cinza volante. O cimento e a cal são industrializados e foram adquiridas no comercio local, já a sílica da casca de arroz foi cedida pela empresa Pillecco Nobre, localizada na cidade de Alegrete RS, este material é comercializado pela empresa, e a cinza volante foi cedida pela Usina Termelétrica Presidente Médici UTPM Candiota II. A sílica da casca de arroz foi analisada por Marangon et al., (2013), ela é obtida por um sistema inovador de combustão, que proporciona controle de temperatura, resultando em uma sílica homogênea e altamente amorfa. Os limites de dióxido de silício (SiO 2 ) que devem ser atendidos para um material ser considerado sílica variam entre 91 e 95% e os ensaios realizados determinaram que essa sílica possui grande potencial pozolânico por apresentar 91,48% de SiO 2. A cinza volante utilizada é um resíduo gerado a partir da queima do carvão mineral em uma usina termelétrica. Tabela 1 - Nomenclatura das misturas Nomenclatura Composição do Traço M1 (F+P) (80%, 20%) M2 (F+P) + (Ci) (80%, 20%) + (5%) M3 (F+P) + (C) (80%, 20%) + (10%) M4 (F+P) + (Si)(80%, 20%) + (10%) M5 (F+P) + (CV) (80%, 20%) + (10%) M6 (F+P) + (Si+Ci) (80%, 20%) + (5%, 5%) M7 (F+P) + (Ci+CV) (80%, 20%) + (5%, 5%) M8 (F+P) + (C+Si) (80%, 20%) + (10%, 5%) M9 (F+P) + (C+CV) (80%, 20%) + (10%, 5%) M10 (F+P) + (C+Si) (80%, 20%) + (5%, 10%) Onde: F=Material Fresado; P=pó de pedra; Ci=cimento; C= cal; CV=cinza volante; Si=sílica da casca de arroz. Visando definir a quantidade de água a ser adicionada às misturas foi realizado, o ensaio de compactação Proctor com energia modificada, NBR 7182 (ABNT, 1986). Para o presente estudo foi determinado o teor de umidade para a mistura de 80% de material fresado e 20% de pó de pedra, sendo obtida a massa específica aparente γ d(max) = 2358,91 kg/m³ para a umidade ótima de 7,5%, conforme pode ser observado na Figura 3. Este teor foi adotado para as demais misturas analisadas neste estudo. 3.2 Ensaios laboratoriais Foram realizadas misturas contendo material fresado, pó de pedra, aglomerantes e adições minerais. Para cada mistura as quantidades de aglomerantes e adições minerais foram calculadas com base na mistura de 80% de fresado e 20 % de pó de pedra. Figura 3. Curva de compactação do material fresado com pó de pedra Para moldagem dos corpos de prova, foi seguido as recomendações de ensaio expostas

5 na ME 180, DNER (1994). Primeiramente foi realizada a mistura de todos os traços a seco, até que houvesse a homogeneização dos mesmos. Após executou-se a mistura úmida, adicionando o teor de umidade definido pela curva de compactação e procedeu-se a compactação dos corpos de prova, utilizando o compactador Marshall. O número de golpes foi definido de forma a apresentar a mesma energia de compactação do ensaio Proctor Modificado. A metodologia de ensaio ME 136 (DNIT, 2010), determina que o CP destinado aos ensaios de resistência à tração por compressão deve apresentar forma cilíndrica, com altura entre 3,5cm e 6,5cm e diâmetro de 10±2cm. Para compactar os CP s adotou-se a energia de compactação modificada do ensaio Proctor. O número de golpes necessários foi determinado através da Equação 1, ME 181 (DNER, 1994). E * V n (1) 9,8* P* H * Nc Sendo: n = número de golpes por camada; E = energia de compactação (N.m/m³); V = volume do material compactado (m³); P = massa do soquete (kg); H = altura de queda do soquete (m); Nc = número de camadas. Para este estudo os dados da fórmula são: E=269000N.m/m³; V=3,77x10-2 m³; P=4,536kg; H=0,457m e Nc=1, resultando em um número de golpes igual a 50. Decorrida 24 horas após a moldagem, os CP s foram desmoldados e acondicionados em ambiente climatizado a 22 C para a cura em câmera úmida por um período de 28 dias. Foram moldados seis CP s para cada traço estudado, totalizando 60 corpos de prova. Aos 28 dias de cura os corpos de prova foram ensaiados até a ruptura. Realizou-se o ensaio de resistência à tração por compressão diametral, seguindo a orientação da ME-181 (DNER, 1994). Dos 6 CP s existentes de cada traço, 3 CP s foram colocados submersos em água 24 horas antes do ensaio e 3 CP s foram ensaiados com a umidade natural de cura. A análise da resistência à tração é obtida pela realização do ensaio brasileiro de compressão diametral desenvolvido pelo professor Lobo Carneiro. A Figura 4 exibe a configuração para a realização do ensaio, ME 136 (DNIT, 2010). Figura 4. Esquema do ensaio de tração por compressão diametral Os CP s foram rompidos em Máquina Universal de Ensaios da marca EMIC, com capacidade máxima de 200kN, modelo DL20.000MF com velocidade de aplicação do carregamento de 0,8 mm/s. O programa que acompanha a prensa é o software Tesc, o qual fornece os dados da força resistente de ruptura, da tensão resistente e os gráficos de ruptura. Para calcular a resistência à tração por compressão diametral empregou-se a Equação 2, ME-181 (DNER, 1994). R 2* F tcd * d * (2) h Sendo: R tcd =Resistência à tração por compressão diametral (MPa); F = carga máxima obtida do ensaio (N); d = diâmetro do corpo de prova (mm); h = altura do corpo de prova (mm). A umidade foi verificada após a execução dos ensaios, foram medidas as umidades de amostras que não ficaram submersas (CP natural) e amostras que passaram 24 horas imersas (CP submerso) a fim de avaliar a umidade real no momento do ensaio. A Figura 5a apresenta o CP logo após a moldagem, na Figura 5b observa-se o procedimento de cura realizado, a Figura 5c apresenta os CP s submetidos à cura imersa e na Figura 5d é mostrado o comportamento do CP

6 durante o ensaio de tração por compressão diametral. Figura 5. Corpos de prova em diferentes situações Durante a ruptura dos CP s a fissura sempre ocorreu no sentido vertical, o que indica que a deformação crítica é perpendicular ao diâmetro solicitado. Em estudo conduzido por Pires et al., (2013) em amostras de material fresado com adições de cimento foi constado que o valor da resistência à tração por compressão diametral é equivalente a 16% do valor da resistência por compressão simples. Tomando esta relação para o presente estudo, pode-se admitir que o valor de 2,1 MPa prescrito pelas normas NBR 12253/92 e DNIT 143/ ES como resistência mínima obtida no ensaio de RCS para aplicação de materiais em camadas de base de pavimentos é atendido pelo ensaio de resistência a tração por compressão diametral quando a resistência for 0,336 MPa. 4 RESULTADOS Na Tabela 2 são apresentados os valores das tensões médias das misturas estudadas. Para cada valor apresentado foram realizados ensaios em 3 CP s. Com base nos dados de umidade presentes na Tabela 02, tem se visível que a umidade presente nos CP s secos após o tempo de cura era muito menor que a umidade em que os mesmos foram moldados. Nos CP s submersos a umidade aproximou-se à de moldagem, mas a maioria das misturas ainda encontrava-se com valores menores, sendo que o valor máximo corresponde à mistura M5 que desmanchou, a qual possuía adição de 10% de cinza volante. Talvez seja possível afirmar que essa mistura atingiu seu nível máximo de saturação. Tabela 2. Resumo dos resultados dos ensaios realizados Umidade RTCD Traço ensaiada - (MPa) ** (%) CP natural 0,05 2,01 M1 CP submerso*** -* 21,17 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 CP natural 0,36 3,01 CP submerso*** 0,32 8,33 CP natural 0,21 2,12 CP submerso*** 0,14 8,12 CP natural 0,06 3,16 CP submerso*** -* 18,29 CP natural 0,06 1,71 CP submerso*** -* 14,33 CP natural 1,15 5,16 CP submerso*** 0,88 7,78 CP natural 0,59 4,08 CP submerso*** 0,50 7,82 CP natural 0,88 4,78 CP submerso*** 0,77 9,53 CP natural 0,42 3,19 CP submerso*** 0,38 7,98 CP natural 0,90 4,90 M10 CP submerso*** 0,93 9,15 * A estrutura dos CP s desmanchou após 24 horas imerso em água; ** A umidade moldada de todas as amostras foi de 7,5%; *** CP s submerso em água por 24 horas. A Figura 6 compara graficamente os resultados de RTCD obtidos. Nota-se que entre as misturas de fresado e pó de pedra a que manifestou maior valor de tensão resistente foi à mistura denominada M6, que tem como adição 5% de cimento e 5% de sílica da casca de arroz. Mas considerando-se que a abrangência da barra de erros, composta dos valores máximos e mínimos de RTCD obtida nos ensaios, essa mistura é maior que a da M10, contendo adições de 5% de cal e 10% de sílica da casca de arroz. Pode-se dizer que esta também se trata de uma boa opção para aplicação em camadas de pavimentos.

7 Valores máximos e mínimos. Figura 6. Resistência à tração por compressão diametral das misturas de material fresado e pó de pedra Analisando as misturas que foram colocadas submersas, o maior valor de RCTD foi obtido no traço M10, que recebeu adição de 5% de cal e 10% de sílica da casca de arroz. Os CP s oriundos dos traços M1, M4 e M5 desmancharam durante o período em que estiveram submersos em água. A ausência de agentes cimentantes nessas misturas explica a desagregação das mesmas na presença de umidade. 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Com base nos resultados obtidos nos ensaios realizados foi possível avaliar qual mistura apresentou a maior resistência à tração por compressão diametral, visando sua aplicação em camadas de base e sub-base de pavimentos. Fica evidente que a mistura que teve melhor resposta às adições químicas apresentando acréscimo na resistência foi à mistura M6, que tem em sua composição 80% de material fresado, 20% de pó de pedra, 5% de sílica da casca de arroz e 5% de cimento. A adição de 5% de cimento e 5% de sílica da casca de arroz desempenhou acréscimo na resistência à tração por compressão diametral, sendo esse aumento de 786%. Nota-se que a mistura M10, foi a que permaneceu mais estável quanto aos efeitos da saturação dos CP s. Desta forma a aplicação da mesma em locais onde existe a elevação do lençol freático, ou chuvas intensas aliadas a uma drenagem ineficiente pode ser mais indicada. Dentre as misturas estudadas, os traços M1, M3, M4 e M5 não atingiram o valor mínimo estipulado em 0,336 MPa no ensaio de RTCD. Desta maneira conclui-se que os traços que tiveram em sua composição inclusão de apenas cal, sílica da casca de arroz ou cinza volante não tiveram um desempenho satisfatório. O mesmo pode ser afirmado para o traço sem nenhuma adição de aglomerante, composto apenas por material fresado e pó de pedra. A tentativa de avaliar a saturação das misturas foi prejudicada pela grande perda de umidade que os CP s sofreram durante a cura, deixando claro que o método de cura deve ser aprimorado. A aplicação da pesquisa em outras regiões com essa mistura torna-se viável por ter na composição pó de pedra, que é um elemento de fácil acesso independente da região. AGRADECIMENTOS Os autores deste trabalho agradecem a Pillecco Nobre pela doação da sílica da casca de arroz e a Usina Termelétrica Presidente Médici UTPM Candiota II pelo fornecimento da cinza volante. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMEIDA, R. M. S. Estabilização de areias monogranulares para fins rodoviários estudo aplicado à região de Mira. Dissertação de mestrado. Universidade de Aveiro, Aveiro, ARAÚJO, L. M. D. Estudo do comportamento de material fresado de revestimento asfáltico visando sua aplicação em reciclagem de pavimentos. Tese de doutorado em geotecnia. Universidade de Brasília, Brasília, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Solo: Ensaio de compactação. Rio de Janeiro, 1986, 10 p.. Solo - Cimento - Dosagem para Emprego como Camada de Pavimento. ABNT. NBR 12253/92, Rio de Janeiro: p. BALBO, J. T. Pavimentação Asfáltica, 1ª ed. São Paulo: Oficina de Textos, BEHAK, L. Estabilização de um solo sedimentar arenoso do Uruguai com cinza de casca de arroz e cal. Dissertação de mestrado. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, BERNUCCI, L. B.; MOTTA, L. M. G. da; CERATTI, J. A. P.; SOARES, J. B. Pavimentação asfáltica: Formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro:

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