39.ª RAPv/13.º ENACOR

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1 39.ª RAPv/13.º ENACOR Recife/PE - BRASIL - 16 a 19 de setembro 2008 INSTRUMENTAÇÃO DA PISTA EXPERIMENTAL CIRCULAR DO IPR/DNIT PARA ESTUDAR A ESCÓRIA DE ACIARIA PRODUZIDA NA ARCELORMITTAL TUBARÃO EM BASE RODOVIÁRIA Prepredigna Delmiro Elga Almeida da Silva 1 ; Fernando Vieira Medeiros 2 ; Dilma dos Santos Guarçoni 3 ; Luciana Nogueira de Castro 4 ; Ronaldo Lacourt de Mendonça 5 & Gisele Lopes Carreiro Rodrigues 6 RESUMO Este artigo apresenta um estudo sobre o comportamento de base de pavimento constituído de escória de aciaria com redução de expansão, denominada ACERITA, produzida na ArcelorMittal Tubarão e testada na pista experimental circular do IPR/DNIT. Foram instalados oito extensômetros (a cerca de 2 cm da face inferior do revestimento em CBUQ) e quatro células de carga (no topo do subleito) para medir as deformações e esforços atuantes em quatro seções experimentais da pista experimental circular do IPR/DNIT. O pavimento da pista está assentado sobre um terreno natural constituído de areia cinza e um terrapleno de argila amarela com espessura de 1,2 m. Este trabalho apresenta um experimento de quatro seções de base de 20 cm de espessura, composta de: brita graduada, ACERITA, 80% ACERITA + 20% argila e 50% ACERITA + 50% argila. O CBUQ utilizado no revestimento possui espessura de 5 cm. O artigo apresenta os resultados obtidos das medições da instrumentação e compara com os resultados da análise numérica calculados utilizando o programa FEPAVE2. PALAVRAS-CHAVE: escória de aciaria; ACERITA; pista experimental; instrumentação; base. ABSTRACT This work presents the IPR/DNIT Experimental Circular Track, to study base course of pavements with steel slag named ACERITA from Acellormittal Tubarão. An instrumentation was composed with eight strain gages and four load cells embedded within the pavement layers. Recorded measurements of these sensors were compared to calculated values using the computer program: FEPAVE2. KEY WORDS: steel slag; ACERITA; Experimental Circular Track; base course. 1 Instituto de Pesquisas Rodoviária / DNIT. Rodovia Presidente Dutra km 163, Parada de Lucas RJ. prepredigna@ig.com.br. Tel.: (21) Instituto de Pesquisas Rodoviária / DNIT. Rodovia Presidente Dutra km 163, Parada de Lucas RJ.Tel.: (21) Instituto de Pesquisas Rodoviária / DNIT. Rodovia Presidente Dutra km 163, Parada de Lucas RJ.Tel.: (21) Instituto de Pesquisas Rodoviária / DNIT. Rodovia Presidente Dutra km 163, Parada de Lucas RJ.Tel.: (21) Kaeme Empreendimentos e Consultoria Ltda. Av. Champagnat, 645, sala 102, Centro, Vila Velha ES. kaeme@kaeme.eng.br. Tel.: (27) Kaeme Empreendimentos e Consultoria Ltda. Av. Champagnat, 645, sala 102, Centro, Vila Velha ES. kaeme@kaeme.eng.br. Tel.: (27)

2 INTRODUÇÃO A escória de aciaria, obtida da transformação do ferro gusa líquido em aço, é composta por óxidos e silicatos de elementos indesejáveis na composição química do aço que geram reações expansivas envolvendo, principalmente, os óxidos de cálcio e magnésio livres. Pesquisas mostram que tratamentos da escória de aciaria minimizam o efeito expansivo desses elementos e asseguram sua adequada qualidade no respectivo campo de atuação (GEISELER, 1996). A ArcelorMittal Tubarão, em parceria com a Kaeme Empreendimentos e Consultoria Ltda, desenvolveu um processo de aeração e umectação da escória de aciaria "in natura", com o intuito de reduzir a sua expansibilidade até que a mesma atingisse valores aceitáveis, recomendados pela norma do DNIT. Deste processo de aeração e umectação da escória de aciaria "in natura" é gerada a escória de aciaria com redução de expansão, denominada ACERITA. Assim sendo, de forma a ter aceitação e confiabilidade do mercado consumidor quanto à aplicação da escória de aciaria na construção civil, a ArcelorMittal Tubarão, junto ao DNIT/17ª UNIT/IPR celebraram um convênio de cooperação técnica, objetivando a realização de estudos e pesquisas para consolidar a utilização da escória de aciaria em bases e sub-bases rodoviárias. Este artigo apresenta a instrumentação com células de carga e extensômetros do pavimento da Pista Experimental Circular do IPR, em que a base é dividida em quatro segmentos: 100% ACERITA, 50% de ACERITA e 50% de argila, 80% de ACERITA e 20% de argila e 100% de brita graduada. PISTA EXPERIMENTAL CIRCULAR DO IPR A Pista Experimental Circular, localizada no IPR / RJ, possui raio externo de 14,2 m, raio interno de 11,2 m e perímetro de 79,80 m. A pista experimental possui um simulador de carga, denominado trem de prova, que simula o tráfego na pista. A estrutura metálica do trem de prova, com diâmetro de 33m, é composta de três subestruturas treliçadas. Cada conjunto de rodas duplas recebe uma carga de aproximadamente 57 kn, portanto a estrutura pesa 171 kn. O equipamento de comando é alojado na sala de controle, construída adjacente à pista de modo a permitir visão completa do trem de prova e da pista. O centro do trem de prova é constituído por uma armadura hexagonal; sob esta armadura está montado o mecanismo do excêntrico que permite o deslocamento lateral do trem de prova, a cada giro deste, em amplitude regulável de 0 a 0,83 m. A propulsão do carrossel é feita por três motores de corrente contínua de 60 CV cada, acoplados diretamente, através de um sistema de redução adequado a cada conjunto de rodas duplas. Isto faz com que as rodas representem um eixo trator real, e não um eixo rebocado. A velocidade máxima do trem de prova é de 80 km/h, com uma velocidade média de operação de 40km/h. Nesta velocidade, são aplicados ao pavimento, pelos três conjuntos de rodas, aproximadamente carregamentos por hora. Para que se tenha uma cobertura completa da área transversal útil do pavimento, o centro de rotação da estrutura pode ser colocado excentricamente à pista girando lentamente, completando um círculo médio a cada perímetro de 80m e raio de 12,7 m (correspondente ao braço do trem de prova). Quando a excentricidade é máxima a largura da faixa de rolamento é 2,26 m. A cada 760 giros da pista as rodas retornam ao mesmo ponto (SILVA, 2001). Caracterização geotécnica da Pista Experimental Circular O subleito é composto por uma argila amarela, solo residual de gnaisse, proveniente de um corte localizado no km 111 da BR 040/RJ, lado direito, que apresenta os seguintes resultados de ensaios:

3 LL = 51,9%, LP=23,1%, IP = 28,8%, γs = kg/m 3, hót. = 22,0% (EN), CBR = 8%, expansão de 0,45%, sendo classificado como solo laterítico arenoso - LA pela classificação MCT. A base desta pista foi dividida, inicialmente, em quatro segmentos: - 100% ACERITA: faixa C, γs = kg/m 3, hót. = 11,2% (EI), o valor de CBR não foi possível determinar na prensa por ser muito elevado, expansão de 0%; - 50% ACERITA e 50% de argila: faixa D, γs = kg/m 3, hót. = 14,5% (EI), CBR = 140%, expansão de 0%; - 80% ACERITA e 20% de argila: faixa D, γs = kg/m 3, hót. = 11,5% (EI), CBR = 150%, expansão de 0%; - 100% brita graduada: faixa C, γs = kg/m 3, hót. = 4,8% (EI), CBR = 140%, expansão de 0%; A argila utilizada nas misturas tem: γs = kg/m 3, hót. = 23,2% (EI), CBR = 6,7%, expansão de 0%; LL = 55%, IP = 23%, sendo classificada como LG` (solo laterítico pedregulhoso). O revestimento da pista experimental consistiu de uma mistura asfáltica do tipo densa, usinada a quente, utilizando a faixa granulométrica C do DNIT, CAP 30/45 e teor de ligante de 5,5%. A Figura1 mostra o perfil do pavimento da Pista Experimental Circular do IPR com a localização dos transdutores. 7 cm REVESTIMENTO EXTENSÔMETRO 20 cm BASE CÉLULA DE CARGA SUBLEITO Figura 1: Perfil da pavimentação da Pista Experimental Circular do IPR Transdutores instalados Foram realizadas quatro campanhas de medição da instrumentação instalada na Pista Experimental Circular do IPR. Os trabalhos de acompanhamento, instalação e medição foram realizados no período de 23/09/2005 até 27/09/2007. Os transdutores instalados pela empresa SIGEO foram os seguintes: a) Quatro Transdutores de força da marca TRANSTEC com as seguintes características básicas: Escala de Medição (EM): 0 à 3.000kgf. Sobrecarga sem alteração das características: 1,5 EM. Sobrecarga sem destruição do transdutor: 3,0 EM. Temperatura de utilização: -20 a 80 0 C. Condição de calibração: Compressão. b) Oito extensômetros elétricos fabricados pela SIGEO, com as seguintes características básicas: Formato tipo I a base de straingages (Ponte de Wheatstone).

4 Material : Alumínio. Faixa de leitura de deformação (mm): -0,1 a 0,1 mm. Resistência de 350 ohms. Procedimento de instalação A Pista Experimental foi dividida em quatro segmentos. Em cada um, foi instalado um conjunto composto por uma célula de carga e dois extensômetros (longitudinal e transversal), conforme a Figura 2. A instalação dos sensores pode ser visualizada através das Figuras 3 e 4. CC1, CC2, CC3 e CC4: Células de carga. EV1, EV2, EV3 e EV4: Extensômetros de deformação no sentido transversal. EH1, EH2, EH3 e EH4: Extensômetros de deformação no sentido longitudinal. UC1, UC2, UC3 e UC4: Unidades de condicionamento. SA: Sistema de aquisição. PC: Computador. FT: Fonte de alimentação. Figura 2: Esquema de ligação e posicionamento da instrumentação da Pista Experimental Circular do IPR As medições foram feitas com um sistema de aquisição de dados, o qual foi comandado por um programa capaz de fazer leituras de 800 pontos por segundo, por canal, durante 60 segundos. A informação foi armazenada em arquivos para posterior análise e processamento. O sinal adquirido foi obtido durante o funcionamento da pista em duas velocidades distintas: 5 km/h e 40 km/h.

5 Figura 3: Instalação de Células de carga Figura 4: Instalação dos extensômetros Ensaios Realizados Foram realizadas quatro medições, relacionadas na Tabela 1. Tabela 1: Ensaios realizados Período de realização Número total Designação Hora de Hora de de voltas Data início término (acumulado) M01 04/05/07 13:00 16: M02 28/05/07 14:30 16: M03 31/05/07 14:15 15: M04 27/09/07 09:00 12:

6 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS Resultados obtidos de deformação específica As deformações específicas são as constantes da Tabela 2 (obtidas conforme gráficos de medições semelhantes ao da Figura 5). Quadrante 1 a 5 km/h (acerita +20% argila giros, carregamento centrado) EV1: Azul (extensômetro transversal) EH1: Preto (extensômetro longitudinal) Figura 5: Medida de deslocamento Tabela 2: Medidas de deformação específica Giros / Deformação Específica BASE Carregamento Carregamento 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 80%acerita + 20%argila 5 x ,08 x ,7 x ,8 x ,8 x ,33 x ,2 x x %acerita + 50%argila 4,17 x ,33 x ,8 x ,4 x ,0 x ,8 x 10-6 Acerita pura 8,33 x ,67 x x ,7 x ,10 x -6 62,5 x ,3 x ,3 x 10-6 Brita 83,3 x 10-6 D D D D D D Obs: Deformações específicas obtidas dividindo o deslocamento medido pelo fator L = 120mm; Os valores de deformação são dos extensômetros longitudinais. D = extensômetros danificados. Como os extensômetros estão a 3 cm da superfície e o diagrama de tensões do pavimento em relação à profundidade é triangular, surge na face inferior do revestimento as tensões calculadas de acordo com a Tabela 3.

7 Tabela 3: Deformação específica calculada na camada inferior do concreto asfáltico Giros / Deformação Específica BASE Carregamento Carregamento 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 80%acerita + 20%argila 8,3 x ,47 x ,5 x x x ,9 x ,67 x x %acerita + 50%argila 6,95 x ,88 x ,7 x ,33 x ,3 x ,7 x 10-6 Acerita pura 13,88 x ,12 x x ,5 x ,7 x x ,5 x ,5 x 10-6 Brita 138,8 x 10-6 D D D D D D Com os valores de deformação específica apresentados na Tabela 2 e utilizando o módulo de resiliência do concreto asfáltico do revestimento MR = MPa (obtido por meio de ensaio), pode-se calcular as tensões de tração na face inferior do revestimento indicadas na Tabela 4. Calcularam-se os valores da tensão de tração para as medições feitas com o carregamento das rodas da treliça passando sobre os sensores, ou seja, carga centrada. Tabela 4: Resultados da tensão de tração na camada inferior do concreto asfáltico Giros Carregamento Carregamento BASE Deformação Específica e t Tensão de Tração σ t (MPa) Deformação Específica e t Tensão de Tração σt (mm) (mm) (MPa) 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 80%acerita + 20%argila 69,5 x x ,281 0,073 48,67 x x ,197 0,101 50%acerita + 50%argila 34,7x ,33 x ,141 0,07 34,7 x ,14 Acerita pura 125 x ,5 x ,506 0,281 55,5 x ,5 x ,225 0,225 Brita D D D D D D D D σ t = ε t MR onde : ε t deformação específica MR Módulo de Resistência A resistência à tração determinada no laboratório o IPR, conforme a Norma DNIT-ME 138/94, é de 1,25 MPa. Pode-se concluir, portanto, que os valores gerados pelo carregamento são muito inferiores aos valores de resistência à tração do concreto asfáltico.

8 Resultados Tensões Verticais no Topo do Subleito As tensões verticais medidas no topo do subleito foram as constantes da Tabela 5 (obtidas conforme gráficos de medições semelhantes ao da Figura 6). Quadrante 1 a 5 km/h (acerita +20% argila) CC1: Preto Figura 6: Medida de carga vertical no subleito Tabela 5: Resultados de tensão vertical no topo do subleito Tensão Vertical (MPa) BASE Carregamento Carregamento 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 5 km/h 40 km/h 80%acerita + 20%argila 0,036 0,041 0,05 0,048 0,052 0,043 0,063 0,054 50%acerita + 50%argila 0,045 0,077 0,063 0,079 0,045 0,072 0,045 Acerita pura 0,283 0,045 D D D D D Brita 0,172 0,09 0,199 0,136 0,192 0,181 Diâmetro da célula de carga = 7,5cm

9 ANÁLISE NUMÉRICA DAS MEDIDAS DE DEFORMAÇÃO E TENSÃO A Figura 7 apresenta o perfil da Pista Experimental Circular, com os dados de entradas necessárias para executar o programa FEPAVE2 (SILVA, 1999) que permite considerar a não linearidade das camadas dos materiais, pois os módulos de elasticidade dos materiais das camadas do pavimento são dependentes das tensões variantes dentro da camada de acordo com o local (ponto a ponto). 5 cm CBUQ Revestimento σ = 0,30 MR = kgf/cm² 20 cm Base σ = 0,35 k2 MR = k 1 σ 3 (Variável) 120 cm Argila Amarela Subleito σ = 0,45 MR = k 1 σ k2 d kgf/cm 2 (Variável) Figura 7: Esquema vertical do pavimento, com os dados de entrada para o programa FEPAVE2 Os valores dos parâmetros K1 e K2 obtidos de ensaios de módulo de resiliência para a camada de base e que foram utilizados para rodar o programa FEPAVE2 são apresentados na Tabela 6. Tabela 6: Dados dos coeficientes K1 e K2 dos materiais de base Base Acerita Brita 80% acerita + 20% argila 50% acerita + 50% argila K1 K2 Módulo (kgf/cm²) ,1212 K² K1 σ ,2964 K² K1 σ ,3550 K² K1 σ ,6 0,2028 K² K1 σ 3 Os valores dos parâmetros K1 e K2 obtidos de ensaios de módulo de resiliência para a camada de subleito são: Argila Amarela : k1 = 1238,6 e K2 = - 0,2568 Módulo = 1238,6 σ d -0,2568 (kgf/cm²) Comparação dos resultados da instrumentação e da análise numérica Os valores obtidos na instrumentação foram comparados com os valores calculados com o programa FEPAVE2, conforme mostra a Tabela 7, de maneira geral os valores da instrumentação foram superiores aos do FEPAVE2.

10 Tabela 7: Comparação dos resultados da instrumentação (para giros, carregamento centrado e 5 km/h) e da análise numérica Instrumentação FEPAVE2 Instrumentação FEPAVE2 Tensão Tensão de tração Tensão de tração Tensão vertical Base vertical no no revestimento no revestimento no subleito subleito (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Acerita 0,225 0,195-0,075 Brita - 0,199 0,192 0,069 80% acerita + 20% argila 0,197 0,067 0,063 0,071 50% acerita + 50% argila 0,140 0,080 0,072 0,069 A tensão de tração máxima instrumentada obtida na base de ACERITA corresponde a aproximadamente 18% da resistência à tração (1,25MPa) para esta mistura o que implica numa longa vida sem ruptura por fadiga. Quanto à tensão vertical no topo do subleito observa-se que a camada de brita apresentou o maior valor das medidas instrumentadas, entretanto, o valor admissível, considerando a equação de Heukelom e Klomp, é de 0,21MPa. CONCLUSÕES Dos oito extensômetros embutidos na camada de concreto asfáltico, seis resistiram satisfatoriamente aos esforços na fase de construção e às solicitações devidas ao carregamento externo e fatores ambientais. O extensômetro transversal, localizado na seção experimental com brita graduada, foi arrastado e danificado pela vidroacabadora de asfalto durante a execução da pista; o extensômetro longitudinal nesta seção danificou logo após a primeira medição,. Acredita-se que ele também foi afetado pela vidroacabadora de asfalto. Quanto às células de carga, três apresentaram comportamento satisfatório, entretanto na quarta célula de carga foi constatada perda do sinal de leitura provavelmente por fadiga dos strain gages usados em sua concepção. Uma outra possibilidade é a de que a própria acerita tenha rompido o cabo da célula. Devido a pouca quantidade de extensômetros (dois por seção) não se pôde avaliar as deformações específicas de tração na base de brita graduada, pois os dois foram perdidos. Foram instalados extensômetros e células de carga para comparar os valores de tensão de tração na camada inferior do revestimento e a tensão vertical no topo do subleito, com os valores calculados com o programa FEPAVE2. Os valores de tensão de tração e de tensão vertical obtidos na instrumentação foram inferiores aos admissíveis para todos os materiais. Os valores da tensão de tração na camada inferior do revestimento, medidos na instrumentação, foram sempre menores que os valores calculados com o programa FEPAVE2. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DNIT. Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes, ME 138 Misturas betuminosas determinação da resistência à tração por compressão diametral GEISELER, J. Use of steelworks slag in Europe. Waste Management. Vol. 16, Nos 1-3, pp SILVA, P.D.E.A. Contribuição ao aperfeiçoamento do programa FEPAVE2 em estudos e projetos de pavimentos flexíveis. Tese de mestrado apresentada à Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro SILVA, P.D.E.A. Estudo do reforço de concreto de cimento Portland (Whitetopping) na pista circular experimental do Instituto de Pesquisas Rodoviárias. Tese de doutorado apresentada à Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro