AVALIAÇÃO DA ADERÊNCIA ENTRE CONCRETO BETUMINOSO USINADO A QUENTE E GEOSSINTÉTICOS

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1 AVALIAÇÃO DA ADERÊNCIA ENTRE CONCRETO BETUMINOSO USINADO A QUENTE E GEOSSINTÉTICOS Jaime Rafael Obando Ante Universidade de Brasília UnB, Brasília DF, Brasil, jaime_obando87@hotmail.com Ennio Marques Palmeira Universidade de Brasília UnB, Brasília DF, Brasil, palmeira@unb.br RESUMO: a maioria de técnicas para o projeto de pavimentos flexíveis assumem que existe uma completa aderência entre as camadas e que não existe deslocamento entre elas. Para atingir esta condição, uma camada fina de emulsão asfáltica é aplicada na interface. Não obstante, uma aderência completa nem sempre é atingida, apresentando defeitos como o escorregamento do recapeamento em relação à camada antiga. Entre as diferentes técnicas de laboratório existentes para avaliar a aderência, há a desenvolvida pela Università Politecnica dele Marche, na Italia. O ensaio é do tipo cisalhamento com tensão normal e foi denominado como ASTRA (Ancona Shear Testing Research and Analysis). Os corpos de prova para o ensaio, são constituídos por duas camadas de mistura asfáltica, com uma interface de emulsão asfáltica. Os corpos de prova ensaiados correspondem a corpos de seção prismática, de 100 mm x 100 mm. O ensaio ASTRA é realizado a uma velocidade constante de 2,5 mm/minuto, e uma carga vertical constante, perpendicular ao plano de cisalhamento (interface). Na presente pesquisa, são apresentados os resultados de ensaios de aderência realizados segundo a metodologia ASTRA num equipamento de cisalhamento direto de grandes dimensões. As condições de ensaios estabelecidas para a obtenção da envoltória de Mohr-Coulomb foram:100 kpa, 200 kpa, 300 kpa, 400 kpa, 500 kpa e 600 kpa de tensão normal, Velocidade de ensaio de 2,5 mm/min, teor de emulsão asfáltica de 0,5 l/m 2 de asfalto residual. Para efeitos de comparação, foram ensaiados corpos de prova com e sem a presença de geocomposto. Os resultados apresentam os significativos efeitos gerados pela tensão normal aplicada, rugosidade na interface e na estrutura do geossintético. O ensaio com material de reforço apresentou uma adesão maior e um ângulo de atrito menores, em comparação ao ensaio de referência (amostras sem reforço). PALAVRAS-CHAVES: aderência, geossintéticos, mistura asfáltica, reflexão de trincas, emulsão asfáltica, ASTRA. geometria do pavimento, magnitude das 1 INTRODUÇÃO cargas verticais, intensidade do tráfego de veículos, entre outros (Sutanto, 2009). Dentre os principais fatores que afetam a aderência entre camadas de mistura asfáltica, empregadas na reabilitação de estruturas de pavimento, é possível destacar os seguintes: nível de compactação do revestimento, temperatura de compactação do revestimento, granulometria e forma das partículas da camada asfáltica, teor e tipo de emulsão asfáltica, contaminação da superfície, envelhecimento e textura da camada inferior, presença de membrana de absorção de tensões (SAMI: Stress Absorbing Membrane Interlayer ), temperatura do pavimento, Considerando a importância da aderência, alguns métodos de ensaio têm sido desenvolvidos para avaliar as propriedades mecânicas de interfaces. Os métodos de ensaio podem ser classificados, principalmente, em duas categorias: destrutivos e os não destrutivos. Os métodos de ensaio destrutivos utilizam diferentes princípios de ensaio, configurações, geometrias do corpo de prova e diversos equipamentos. Os mecanismos físicos dos principais ensaios que avaliam a aderência

2 entre recapeamentos asfálticos são: tração, aplicação de torque, cisalhamento direto com e sem tensão normal, cisalhamento em três pontos, cisalhamento em quatro pontos e tração indireta (Sutanto, 2009). Um dos ensaios para avaliar a aderência de misturas asfálticas foi desenvolvido pela Università Politecnica dele Marche, na Itália. O ensaio é do tipo cisalhamento com tensão normal e foi denominado como ASTRA (Ancona Shear Testing Research and Analysis). Os corpos de prova para o ensaio são constituídos por duas camadas de mistura asfáltica, com uma interface de emulsão asfáltica e geossintético. Os corpos de prova podem ser prismáticos, de 100 mm x 100 mm, ou cilíndricos, de 94 mm a 100 mm de diâmetro (UNI/TS ). O ensaio ASTRA geralmente é realizado a uma velocidade constante de 2,5 mm/minuto e uma carga vertical constante, perpendicular ao plano da interface (UNI/TS ). O esquema geral do ensaio ASTRA é apresentado na Figura 1. Figura 1 Esquema geral do ensaio ASTRA (Modificado, FERROTTI et al., 2012). 2 MATERIAIS 2.1 Geossintético O geossintético utilizado na presente pesquisa foi um geocomposto empregado para evitar ou reduzir a reflexão de trincas. O material de reforço tem um recobrimento asfáltico e é constituído por uma geogrelha de poliéster e um geotêxtil de baixa gramatura (Figura 2). Figura 2 Geocomposto com recobrimento asfáltico. Na caracterização do material de reforço, foram realizados ensaios que permitissem estabelecer as principais características relacionadas com: rigidez, resistência à tração, deformabilidade na ruptura, gramatura, densidade e parâmetros relacionados com as propriedades térmica do material. Os resultados obtidos nos ensaios de caracterização térmica, permitem estabelecer o provável comportamento do reforço depois da instalação do revestimento asfáltico. Uma das preocupações nos recapeamento asfálticos com geossintéticos é a possibilidade de degradação gerada pelo contato do geocomposto com a mistura a uma temperatura superior aos 100ºC. 2.2 Emulsão asfáltica A emulsão asfáltica utilizada para ligar a mistura asfáltica ao geossintético foi a comercialmente conhecida como RR-1C-E (emulsão asfáltica catiônica de rotura rápida de grau de viscosidade 1, modificada com polímero tipo SBS). Os ensaios realizados na caracterização do material foram: avaliação do teor de ligante residual, viscosidade, densidade e ensaios sobre o asfalto residual. 2.3 Mistura asfáltica A dosagem dos materiais (agregados cimento asfáltico) foi realizada seguindo-se a metodologia de dosagem Marshall, determinando o teor ótimo de cimento asfáltico, para atingir as propriedades de deformação, resistência e volume de vazios. O cimento asfáltico empregado na elaboração da mistura asfáltica foi o CAP

3 Os agregados pétreos utilizados na mistura se originaram de uma rocha calcária, sendo que as suas características granulométricas devem satisfazer a faixa granulométrica C para a elaboração de CBUQ (Concreto betuminoso usinado a quente) da especificação DNIT 031/ METODOLOGIA 3.1 Caracterização dos materiais Com o objetivo de determinar as características dos materiais envolvidos na pesquisa, foram realizados ensaios que permitiram obter propriedades físicas, mecânicas e térmicas dos materiais utilizados, visando estudar o comportamento individual e a interação entre cada um deles. 3.2 Avaliação da aderência Os corpos de prova utilizados para determinar a aderência da mistura asfálticageossintético possuem área quadrada (100 mm x 100 mm), contendo duas camadas de mistura asfáltica (50 mm de altura cada camada). Na interface entre as duas camadas eram colocados o geossintético e uma emulsão asfáltica aplicada como tratamento de liga. O teor de asfalto foi escolhido em função das características da macro e micro textura do revestimento, da absorção do geossintético e de um fator de correção (Button et al.,1982). A compactação dos corpos de prova foi efetuada em duas etapas. Na primeira etapa foi compactada a camada inferior, pela força aplicada por um cilindro hidráulico e controlada por uma célula de carga, para obter pelo menos 95% de grau de compactação e um volume de vazios de aproximadamente 4%. Uma vez esfriada a primeira camada, foi aplicado o tratamento de liga, aguardando-se o tempo necessário até a ruptura da emulsão. A seguir, foi instalado o geossintético, efetuando-se a compactação da camada superior sob as mesmas condições da primeira camada. O equipamento utilizado para avaliar a aderência entre a mistura asfáltica e o geossintético, foi o empregrado por Chrusciak (2013), e basicamente consiste em um equipamento para realização de ensaios de cisalhamento direto de grandes dimensões (Fig. 3). De acordo com Chrusciak (2013), o sistema de cisalhamento é composto por um circuito hidráulico composto por dois cilindros, um reservatório e mangueiras. A capacidade máxima de carga do conjunto é de 100 kn e deslocamento relativo máximo de 50 mm. A pressão normal é aplicada por um sistema constituído de uma bomba e cilindro hidráulico, com curso de 100 mm e capacidade de 100 kn. Figura 3 Equipamento cisalhamento direto (Chrusciak, 2013). 4 RESULTADOS 4.1 Caracterização dos Materiais Geossintético A Tabela 1. apresenta as propriedades do geossintético ensaiado. Dos resultados obtidos nos ensaios de resistência à tração obteve-se uma rigidez secante a 5% de deformação de 414 kn/m na direção de fabricação (MD), com uma deformação na ruptura de 11,7% e uma resistência à tração de 37 kn/m. A determinação da absorção de asfalto foi realizada por meio da determinação no teor de asfalto residual que o geocomposto é capaz de absorver.

4 Propriedades Avaliadas Nome do ensaio Norma Unidade Geocomposto Rigidez secante Jsec MD/XD NBR ISO 10319:2013 kn/m 414 / 331* Mecânicas Resistência à Tração MD/XD NBR ISO 10319:2013 kn/m 37/ 27 Deformação na ruptura MD/XD NBR ISO 10319:2013 % 11,7 / 9,1 Abertura mm x mm Percentagem de área sólida % 100 Físicas Térmicas Densidade ASTM D 792:2013 (g/cm 3 ) 1,200 Espessura NBR ISO :2013 mm 2,42 Gramatura NBR ISO 9864:2013 (g/m 2 ) 521 Absorção de asfálto ASTM D 6140:2005 (l/m 2 ) 0,44 Temperatura de transição vitrea Tg ASTM E 3418:2003 C > 130 Temperatura de decomposição Td ATM E 1131:2014 C > 276 Tabela 1. Resultados ensaios de caracterização no geossintético. Umas vez finalizado o processo de secagem das amostras, foi determinada a sua nova massa, estabelecendo o percentual de absorção do geocomposto, ao comparar a massa final e inicial dos corpos de prova. A emulsão asfáltica foi diluída em proporção de 50% - 50%, sendo a primeira metade, emulsão asfáltica e o complemento água destilada. A diluição anterior, foi efetuada com o objetivo de atingir a especificação de emulsões asfálticas empregadas no tratamento de liga (DNIT 128/2010). Na avaliação das propriedades térmicas do geocomposto, foram determinados parâmetros que permitem identificar a degradação térmica que apresentam os materiais poliméricos, em contato com elevadas temperaturas. A temperatura de transição vítrea foi determinada por avaliação por calorimetria diferencial de varredura (Differential scaning Calorimetry DSC). A temperatura de transição vítrea (Tg) indica a mudança de comportamento do polímero de um estado sólido para outro denominado de mobilidade, quando o material se torna mais deformável. Acima desse estado, as zonas amorfas acham-se excitadas e em movimento constante. Para temperaturas inferiores à Tg a resposta do material é rígida e frágil, enquanto que para temperaturas superiores a resposta é mais dúctil (Lopes et al., 2010). Como a temperatura de transição vítrea do geocomposto é maior a 130ºC, e a mistura asfáltica foi compactada a uma temperatura de 140 C, durante o processo de compactação dos corpos de prova, pode ter sido gerada alguma mudança estrutural nas cadeias poliméricas do reforço, que consequentemente pode ter afetado a sua resistência final e seu desempenho. As temperaturas de decomposição do material foram determinadas por análises termogravimétricas (TGA). A técnica TGA registra as mudanças da massa da amostra em função da temperatura. Segundo os resultados do ensaio de caracterização mediante a técnica TGA, o primeiro estágio de decomposição da amostra aconteceu a uma temperatura superior aos 276ºC. Assim, a temperatura da mistura asfáltica gerou algumas mudanças no desempenho do geocomposto, ao submeter o material a uma temperatura superior à temperatura de transição vítrea, mas sem chegar à sua decomposição.

5 4.1.2 Emulsão asfáltica A caracterização da emulsão asfáltica visou a obtenção dos parâmetros relacionados com: consistência (viscosidade), teor de asfalto residual (composição percentual), impurezas (peneiramento) e avaliação das características do asfalto residual. Dos resultados obtidos é importante destacar que, segundo a realização do ensaio de resíduo por evaporação, a emulsão asfáltica catiônica de viscosidade grau 1 modificada por polímeros (CRR-1-E) apresentou 68% em massa de resíduo asfáltico. Conforme Ferrotti et al., (2012), a emulsão asfáltica que gera um melhor grão de aderência, entre recapeamentos asfálticos e geossintéticos empregados em pavimentação, é aquela modificada com polímeros Mistura asfáltica A avaliação do teor ótimo de cimento asfáltico foi realizada por meio do método de dosagem Marshall. Os ensaios sob os corpos de prova foram realizados com um teor de asfalto de 5% em relação à massa total da mistura (os 95% restantes foram os agregados pétreos). Dos resultados obtidos, há quatro características que são fundamentais para a determinação do teor ótimo de ligante asfáltico, quais sejam: porcentagem de vazios, relação betume/vazios, estabilidade Marshall e vazios no agregado mineral. De acordo om os resultados obtidos, a mistura asfáltica composta por 5% de CAP e 95% de agregado mineral de origem calcária cumpre com todos os requisitos da especificação DNIT 031/ Aderência mistura asfáltica geossintético Conforme Button et al. (1982), o teor de emulsão asfáltica para aderir um geotêxtil à mistura asfáltica depende das características de textura do pavimento existente e da absorção do geossintético a ser empregado, e pode ser estimado pela seguinte equação (1): Onde, Qd = 0,36 + Qs ± Qc (1) Q d: Quantidade de asfalto residual (l/m 2 ); Q s: Quantidade de asfalto que satura o geotêxtil (l/m 2 ); Q c: Correção em função das condições da superfície existente (l/m 2 ). Os valores de Qc, são apresentados na Tabela 2. Tabela 2. Correção na quantidade de asfalto (modificado de Button et al. 1982). Condição da superfície Qc (l/m 2 ) Polida -0,09 a 0,09 Liso, sem poros 0,09 0,23 Levemente porosa, levemente oxidada 0,23 0,36 Levemente porosa, oxidada 0,36 0,5 Muito danificada, porosa, oxidada 0,5 0,59 Na determinação do teor ótimo de emulsão asfáltica, foram realizados ensaios para determinar o máximo e mínimo potencial de absorção do geocomposto, e a quantidade de asfalto que demanda a superfície inferior dos corpos de prova, que irá a representar um revestimento antigo e trincado. Para estabelecer a quantidade de emulsão que demanda a superfície existente, foi determinada a macrotextura da mistura asfáltica, por meio da realização do ensaio de círculo de areia, norma ASTM E 965 (2006), que determina a rugosidade de uma mistura asfáltica em função do diâmetro que gera o espalhamento de uma areia com granulometria e volume conhecidos (Figura 4). Para a amostra referida, a textura obtida correspondeu a uma superfície grosseira ou aberta, e segundo a Tabela 2, corresponderia a uma superfície ligeiramente porosa e oxidada. Sendo assim, o teor de asfalto residual recomendado estaria entre 0,23 l/m 2 e 0,36 l/m 2. Para a presente pesquisa foi adotado um valor médio entre os dois valores (Qc: 0,295 l/m 2 ). A absorção máxima e mínima do geossintético foi estabelecida por meio do ensaio padronizado pela norma ASTM D 6140 (2005), deixando-se 5 corpos de prova de área conhecida em imersão durante 30 minutos. Após o tempo estabelecido, as amostras foram deixadas em processo de secagem durante 24 horas a temperatura de

6 25 C. O objetivo do processo de secagem foi eliminar a água presente na emulsão e deixar que ficasse retido somente o asfalto. Ao final das 24 horas foi registrada a massa das amostras e comparada à massa inicial, determinando-se a quantidade de asfalto absorvido em kg/m 2 ou em l/m 2 (Figura 4). Os ensaios para avaliar a resistência ao cisalhamento da interface mistura asfáltica geossintético foram realizados sob as seguintes condições de ensaio: Velocidade do ensaio: 2,5 mm/min (conforme norma UNIT/TS ); Pressão normal: 0,1 MPa, 0,2 MPa, 0,3 MPa, 0,4 MPa, 0,5 MPa e 0,60 MPa (conforme norma UNIT/TS ); (a) (b) Figura 4. Determinação da macrotextura do revestimento asfáltico: (a) ensaio mancha de areia; (b) determinação de macrotextura. Para determinar as condições de compactação dos corpos de prova, foram realizados vários testes de calibração para estabelecer a máxima espessura de camada a ser compactada. Uma vez efetuada a compactação de vários corpos de prova sob a mesma pressão de compactação, concluiu-se que a espessura máxima na qual poderiam ser compactadas as camadas era de 2 cm. As dimensões dos corpos de prova obtidos foram de: 48 cm de comprimento, 20 cm de largura e 10 cm de altura. Devido às dimensões estabelecidas para a realização dos ensaios de aderência serem 10 cm x 10 cm x 10 cm, foi desenhada uma marcação nas vigas de mistura asfáltica (Figura 5a), para posteriormente efetuar os cortes com uma serra de disco de diamante (Figura 5b). De cada uma das vigas elaboradas foi possível obter oito espécimes com as dimensões estabelecidas (Figura 5c). Tipo de emulsão asfáltica: RR-1C-E (Emulsão asfáltica catiônica de rotura rápida, de grau de viscosidade 1, modificada com polímeros elastoméricos, conforme norma DNIT 145/2012 ES); Teor de emulsão asfáltica: faixa compreendida entre 0,5 l/m 2 e 0,8 l/m 2 de asfalto residual (sendo o primeiro valor para o ensaio de referência e o segundo para a interface com geossintético); Critério de finalização do ensaio: deslocamento horizontal de 50 mm ou cisalhamento da interface; o que ocorrer primeiro; Número de corpos testados por condição de ensaio: mínimo de 3; Ensaio de referência: mistura asfáltica sem geossintético. Uma vez estabelecidas as condições de ensaio, foram realizados os testes em corpos de provas com e sem geossintético. Os resultados obtidos são apresentados nas Figura 6, 7, 8 e na Tabela 3. (a) (b) (c) Figura 5. Elaboração corpos de prova para o ensaio ASTRA: (a) Traçado de linhas para o corte dos corpos de prova; (b) Corte dos corpos de prova; (c) Corpos de prova obtidos para ensaio de aderência ASTRA.

7 Tabela 3. Resultados obtidos ensaios de aderência ASTRA. Parâmetro CBUQ GEOCOMPOSTO Ângulo de atrito ( ) Adesão (kpa) R^2 0,89 0,92 Dos resultados obtidos, pode-se observar que a presença do geocomposto teve um efeito significativo na envoltória de Mohr Coulomb, com diminuição do ângulo de atrito e a aumento da adesão. Estes resultados podem ser explicados pelas interfaces menos rugosas no caso da presença do geocomposto. 5 CONCLUSÕES As metodologias de projeto de estruturas de pavimento asfáltico geralmente estabelecem condições de aderência o total ou nenhuma aderência das camadas. Os resultados experimentais demostram que o nível de aderência em revestimentos asfálticos pode mudar de forma significativa quando na interface é disposto um geossintético. Ao comparar os resultados obtidos nos ensaios, observou-se a diminuição do ângulo de atrito nos ensaios com geocomposto em relação ao ensaio de referência, em vista das diferentes condições de rugosidades de interface. 6 REFERÊNCIAS Figura 6. Gráfico deslocamento relativo entre as caixas versus tensão cisalhante amostra de referência (CBUQ sem geocomposto). Figura 8. Envoltoria Mohr - Coulomb ensaios de aderência mistura asfáltica - geossintético. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. _ NBR 6560 Materiais betuminosos Determinação do ponto de amolecimento Método do anel e bola. Rio de Janeiro, _ NBR 6576 Materiais asfálticos Determinação da penetração. Rio de Janeiro, _ NBR Emulsões asfálticas Determinação da peneiração. Rio de Janeiro, _ NBR Emulsões asfálticas Determinação da viscosidade saybolt furol. Rio de Janeiro, _ NBR Emulsões asfáltica modificadas com polímero Determinação do resíduo seco por evaporação. Rio de Janeiro, _ NBR ISO 9864: Geossintéticos método de ensaio para a determinação da massa por unidade de área de geotêxteis e produtos correlatos. Rio de Janeiro, _ NBR ISO 10319: Geossintéticos ensaio de tração de faixa larga. Rio de Janeiro, ASTM American Society for Testing Materials. _ ASTM D Standard Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement _ ASTM D Standard Test Method to Determine Asphalt Retention of Paving Fabrics Used in Asphalt Paving for Full-Width Applications. _ ASTM E Standard Test Method for Compositional Analysis by Thermogravimetry. _ ASTM E Standard Test Method for Transition Temperatures and Enthalpies of Fusion and Crystallization of Polymers by Differential Scanning Calorimetry. _ ASTM D Standard Test Method for Residue by Evaporation of Emulsified Asphalt.

8 Buttom, J. W., Epps, J.A., Lytton, R.L., and Harmon,W.S. (1982). Fabric interlayer for pavement overlays, Proceedings of the 2 nd international conference on geotextiles, IFAI, pp Chrusciak, M.R. (2013). Estudo de pedaço de Borracha de Pneu para Melhoria de Solos. Dissertação de Mestrado, Publicado G.D.M , Departamento de Engenharia civil. Universidade de Brasília, Brasília, DF, 86 p. DNIT Departamento Nacional de Infra-estrutura de transportes. _ DNIT 031/2006: Pavimentos flexíveis concreto asfáltico Especificação de Serviço. _DNIT 128/2010 EM: Emulsões asfálticas catiônicas modificadas por polímeros elastoméricos especificação de material. Ferrotti, G., Canestrari, F., Pasquini, E., Virgili, A. (2012). Experimental evaluation of the influence of surface coating on fiberglass geogrid performance in asphalt pavements. Geotextiles and Geomembranes. 34: Lopes, M.P., Lopes, M. de L. (2010). A durabilidade dos geossintéticos, primeira edição. FEUP edições, Porto Portugal, 294 p. Sutano, M.H. (2009). Assessment of bond between asphalt layers. Thesis of Doctor of Philosophy, Department of civil engineering Nottingham Transportation engineering Centre, The university of Nottingham, Nottingham,UK, 293 p. UNI Ente Nazionale Italiano di Unificazione _UNI/TS Mechanical properties of road airfield pavements interlayer shear performancerelated characterization ASTRA test method.