AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DE UM PAVIMENTO FLEXÍVEL EXECUTADO EM ASFALTO-BORRACHA ELABORADO PELO PROCESSO DE PRODUÇÃO CONTINUOUS BLEND Marcos Balaguer Instituto Militar de Engenharia Engenharia de Infraestrutura e Transportes Bárbara Elis Pereira Silva Instituto Militar de Engenharia Engenharia de Infraestrutura e Transportes Antônio Guimarães Instituto Militar de Engenharia Engenharia de Infraestrutura e Transportes RESUMO Neste trabalho são apresentados os resultados da avaliação estrutural da restauração de um pavimento em asfalto-borracha, executado pelo processo Continuous Blend, também chamado de Just in Time ou Field Blend. Este segmento constitui o primeiro trecho realizado no Brasil com esta técnica. O objetivo é desenvolver um modelo futuro de previsão de desempenho para rodovias com características semelhantes. A obra avaliada é a restauração dos 35,6 km da rodovia RJ-122, que liga os municípios de Cachoeiras de Macacu e Guapimirim e pertence à malha rodoviária da Fundação DER-RJ. Para a produção do Asfalto-Borracha da restauração da RJ-122, foi utilizado o CAP35/40 e a borracha de pneus obtida no processo Ambiente. São apresentados, ao final, resultados de ensaios de avaliação do comportamento mecânico das misturas asfálticas modificadas com borracha, tais com MR, RT e fadiga, além da caracterização reológica tradicional. Os resultados dos mostraram que tanto o ligante asfáltico quanto as misturas asfálticas apresentaram bom comportamento para aplicações deste tipo. Palavras-chave: (Asfalto- borracha; Inovação; Continuous Blend,). ABSTRACT This paper presents the results of the structural evaluation of the restoration of a rubber-asphalt pavement, executed by process Continuous Blend, also called the Just in Time or Field Blend. This segment is the first segment in Brazil performed with this technique. The goal is to develop a model to predict future performance for roads with similar characteristics. The work assessed is the restoration of the 35.6 km of highway RJ-122, which connects the cities of Cachoeiras de Macacu and Guapimirim and belongs to the road network of the Foundation DER-RJ. For the production of Asphalt-Rubber restoration of RJ-122, was used CAP35/40 and tire rubber obtained in the process environment. It s presented the results of tests to assess the mechanical behavior of rubber-modified asphalt mixtures such with MR, RT and fatigue, in addition to the traditional rheological characterization. The results showed that both the asphalt binder as the asphalt mixtures showed good performance for applications, such this one. Key-words: ( Rubber asphalt; Innovation; Continuous Blend).
1. INTRODUÇÃO A matriz de transportes brasileira é majoritariamente rodoviária. Segundo relatório de 2011 da Confederação Nacional de Transportes (CNT), 61,1% da movimentação anual de cargas e passageiros são feitos pelo modal rodoviário, o que faz com que nossas rodovias sejam o principal meio de circulação de bens e pessoas. Com o atual estágio de crescimento da produção agrícola, onde anualmente o Brasil bate recordes na produção de grãos, além do crescimento de setores industriais, as rodovias são colocadas na ordem do dia dos investimentos em infraestrutura rodoviária, tanto nas esferas de governos municipais, estaduais e federal quanto da iniciativa privada através de concessões e parcerias públicoprivadas. Para explorar completamente os benefícios do desenvolvimento rodoviário e minimizar as possíveis influências adversas, o estudo da engenharia de rodovias precisa expandir as atenções para além de simplesmente oferecer acesso seguro e rápido de um ponto a outro, ou seja, além de cobrir aspectos estruturais e funcionais, esta engenharia precisa focar aspectos como impactos ambientais e sócio-econômicos do desenvolvimento da rede rodoviária (HANDBOOK OF HIGWAY ENGINEERING, 2005). Dentre as medidas que deveriam ser postas em prática para que o resultado final de uma obra rodoviária fosse o esperado, estão a utilização de equipamentos adequados aos processos construtivos, a execução de serviços como compactação das camadas dos pavimentos nas energias pré-estabelecidas, o uso de materiais cujas propriedades agreguem aumento de resistência e longevidade ao asfalto, no caso de pavimentos flexíveis, e o uso de materiais alternativos e reciclados como forma de preservar o meio ambiente. O Projeto de Recapeamento da RJ-122, desenvolvido pela Consultora Internacional Consulpav, contratada pela Fundação DER-RJ, indicou a utilização do asfalto modificado com borracha reciclada de pneus como alternativa ao asfalto tradicional. A técnica utilizada é conhecida como Continuous Blending, Field Blending ou Just in Time e a opção pelo asfalto-borracha deveu-se ao sucesso desta alternativa nas últimas décadas nos estados americanos do Arizona e Califórnia e nos últimos dez anos em Portugal. O ASFALTO MOÍDO DE BORRACHA O Asfalto-Moido de Borracha proporciona vantagens econômico/ambientais, técnicas e de segurança do usuário. A vantagem econômica/ambiental refere-se ao fato de inúmeras carcaças de pneus terem sido retiradas do meio ambiente para serem incorporadas, moídas, ao ligante asfáltico, determinando, em última análise, um aumento de vida útil do pavimento, segundo experiência relatada pelo consultor.
A vantagem técnica diz respeito ao ganho qualitativo nas características mecânicas do ligante, tornando-o mais resistente à fadiga e à deformação permanente. Quanto à vantagem no quesito segurança do usuário, esta é verificada pela redução dos efeitos spray e aquaplanagem, como consequência da camada de revestimento, constituída pela mistura asfáltica tipo Open Graded, a qual permite uma drenagem superficial da chuva mais eficiente. Adotou-se, nesse projeto, o percentual de 50% de redução de espessura das camadas betuminosas em função do uso do asfalto-borracha, em relação à solução convencional, conforme recomenda o manual do CALTRANS (1999). 2. METODOLOGIA Foi feita a deflectometria pela empresa Strata Engº, no lado esquerdo da faixa de rolamento entre a ponte do Rio Guapi-Açu até o fim do entroncamento com a RJ-116, totalizando 21km. Na figura 1, são mostrados dados da deflexão do trecho de trezentos metros entre as estacas 1405 e 1420, escolhido para ser o trecho onde será acompanhado o desempenho do pavimento ao longo do tempo. Pode-se perceber uma deflexão irregular, iniciando no km 28,10 com (Df1=49,2mm) e evoluindo para deflexões comprometedoras (Df1 = 190,4mm) no km 28,40 ao longo de todo o trecho de referência (300 metros). FIG. 1 - Deflectometria do segmento monitorado (300 m) (Fonte: F.DER-RJ) Foi feito o ensaio com o DCP (Dynamic Cone Penetrometer), que permitiu estimar as espessuras das camadas granulares subjacentes às camadas betuminosas.
% Passante O grau de performance (PG) da mistura foi determinado em função da espessura do pavimento e da temperatura do ar equivalente anual, utilizando-se o método da Shell. Assim, foi determinado para a região em estudo um grau de PG 58-10. Entretanto, como também foi considerado tráfego lento, o Grau de Performance adotado foi PG 64-10. 2.1 Borracha de pneus O pó de borracha utilizado na obra da RJ-122 foi proveniente de pneus inservíveis fornecidos pela Reciclanip, entidade mantida pelos fabricantes de pneumáticos. Pequenos volumes de outras fontes, como borracharias e ecopontos de prefeituras próximas a Ribeirão Preto também forneceram alguns pneus. Foram utilizados também pneus novos fora de padronização classificados como inservíveis, fornecidos pelos fabricantes como Goodyear, Firestone, Pirelli etc. O pó de borracha proveniente da trituração de pneus inservíveis é produzido em temperatura ambiente (Ambient Grinding) pela Ecobalbo, empresa situada no interior de São Paulo próximo a Ribeirão Preto. O percentual previsto em projeto para adição da borracha moída ao ligante foi de 20%. A composição da borracha moída foi estabelecida pelo projetista em 50% de pneus de veículos de passeio e 50% de pneus de veículos de carga. DISTRIBUIÇÃO GRANULOMÉTRICA - BORRACHA MOÍDA 120 100 Abertura das peneiras (mm) 80 60 40 20 0 0,01 0,1 1 10 LIMITE INFERIOR - ARIZONA FAIXA B LIMITE SUPERIOR - ARIZONA FAIXA B AMOSTRA 1 AMOSTRA 2 FIG. 2 Distribuição granulométrica da borracha (Fonte: Dynatest, 2011) 2.2 Camada asfáltica Nas camadas asfáltica tipo Gap-Graded e Open-Graded, foi utilizado o ligante asfáltico tipo 30/45 fornecido pela REDUC/Petrobras e modificado com 20% de borracha moída, produzido pelo processo Field Blending / Continuous Blending. O AMB, pelo processo de produção CB, deve ser aplicado na pista em até
quatro horas após a incorporação. O presente trabalho consistiu, basicamente, na caracterização física e mecânica dos agregados, ligantes e misturas asfálticas utilizadas na restauração da rodovia RJ-122, seguida da avaliação estrutural. As misturas asfálticas foram produzidas em uma usina de asfalto do tipo gravimétrica com o acréscimo de uma unidade (tanque COMBO) para produção e digestão da mistura modificada com borracha. Foram preparadas amostras de misturas asfálticas modificadas com borracha com CAP 30/45 fornecido pela Petrobras. Houve a adição de 2% de cimento Portland para correção de adesividade. O asfalto-borracha foi coletado após a usina estar operando por pelo menos 40 minutos, tempo suficiente para que ela pudesse já estar produzindo uma mistura homogênea. As misturas de Gap e Open foram coletadas, no caminhão carregado na usina, em períodos diferentes, e cada amostra foi coletada em baldes de alumínio, com aproximadamente 5,0 kg. Os corpos de prova foram moldados imediatamente para que fosse evitado novo aquecimento da mistura. Os corpos de prova de misturas asfálticas Gap Graded foram moldados pelo procedimento Marshall. Na moldagem dos corpos de prova da mistura Open Graded, tomou-se o cuidado de não realizá-la com a compactação Marshall, utilizando-se soquete para que não houvesse o risco de quebrar os agregados. Por isso, optou-se por uma prensa de concreto com carga de 4.100kg para a compactação dos CPS (corpos de prova). O ligante asfáltico utilizado foi o CAP 30/45, fornecido pela refinaria REDUC, da Petrobras e usado regularmente no estado do Rio de Janeiro. O percentual de borracha moída acrescentado à mistura foi de 20% em peso do ligante, com a proporção de 50% de pneus de carga e 50% de pneus de passeio. Os ensaios foram feitos nos laboratórios do IME, Dynatest e CENPES. O estudo foi iniciado em agosto de 2010, quando em visita à obra foi definido um trecho experimental de 300m, entre as estacas 1405 e 1420 (entre os km 28,10 e km 28,40, sentido Cachoeiras de Macacu). 2.3 Materiais das camadas de base e sub-leito As amostras dos materiais de base e sub-base foram coletadas a partir de trincheiras cavadas no acostamento da pista, dentro do segmento experimental. As amostras foram acondicionadas em sacos plásticos, devidamente etiquetados com as informações dos materiais, e levadas para ensaios. Foram feitos ensaios para verificação do grau de compactação e módulo resiliente.
2.4 Agregados pétreos Os agregados coletados provenientes das pedreiras Basalto (antiga São Pedro), Morro Grande e Sebritas foram coletados nos silos no próprio canteiro de obras. Tais agregados foram usados na produção das camadas de reperfilamento, Gap Graded e Open Graded. Foram feitos ensaios de granulometria, desgaste Los Angeles e Módulo Resiliente. 2.5 Borracha moída A borracha moída foi coletada nas embalagens (Bags de 1000kg) provenientes da fábrica responsável pela moagem (ECOBALBO). O produto da coleta foi embalado dentro de sacos plásticos etiquetados. Os BAGs de borracha estavam acomodados em local abrigado de chuva, dentro do canteiro de obras. Foi feita análise granulométrica deste material. Foi utilizado o teor de 2% de cimento Portland à brita com o intuito de aumentar a rigidez do agregado. 2.6 Ligante asfáltico modificado O ligante utilizado foi o CAP 30-45, proveniente da Petrobras. Na obra, este ligante foi modificado com a adição de 20% em peso de borracha de pneus moídos, pelo processo Continuous Blend ou Field Blend. Foram utilizados 2% de cimento Portland para correção da adesividade. 2.7 Confecção de corpos de prova Os agregados, antes de serem aquecidos, foram separados de acordo com a composição granulométrica dos corpos de prova em bandejas metálicas e levados à estufa. O ligante, acondicionado em recipientes de alumínio, foi aquecido em estufa, na temperatura indicada, por um período de duas horas. Ao fim da preparação das amostras, foram determinadas as densidades aparentes dos corpos de prova (DNER-ME 117/94), assim como suas volumetrias. As temperaturas utilizadas para o ligante e o agregado no preparo das misturas asfálticas, tanto para digestão da borracha quanto para a compactação da mistura na pista, são relacionadas na Tabela 1. Foram usadas estufas para aquecimento dos materiais e das misturas sem adição de borracha.
Tabela 1 - Temperaturas MATERIAL TEMPERATURA (ºC) Ligante (CAP 30/45) 175 Agregados 175 Mistura (Digestão da borracha) 190 Misturas para compactação 165 3- RESULTADOS E DISCUSSÕES (FONTE: Balaguer,2012) 3.1Avaliação dos agregados utilizados Pudemos concluir, após os ensaios feitos com os agregados utilizados na obra de restauração da RJ-122, que os critérios de seleção desses materiais, previamente feitos pelo projetista, tiveram que ser flexibilizados em função principalmente do elevado desgaste Los Angeles e do fator de forma, por demais lamelar, dos agregados. As misturas asfálticas foram produzidas com agregados com desgaste Los Angeles entre 35% e 50%, para as misturas de Gap e Open Graded. O fator de forma exigiu que fosse feita uma britagem secundária para atender minimamente aos critérios de seleção estabelecidos. 3.2 Borracha de pneus A borracha de pneus utilizada neste estudo foi proveniente da fábrica de trituração ECOBALBO, produzida em temperatura ambiente. A faixa granulométrica adotada foi a faixa B do Arizona Department of Transportation (ADOT). A borracha triturada de pneus pelo processo ambiente possui superfície específica elevada, aparência esponjosa, forma irregular e textura áspera (RRI, 2006; RESCHNER, 2006). 3.3 Granulometria Através do enquadramento granulométrico apresentado na Figura 3, foi possível observar que as duas amostras ensaiadas têm sua granulometria dentro dos limites da faixa adotada, ou seja, Arizona Department of Transportation, rubber type B (ADOT Construction Manual Section 1009, 2005), conforme apresentado na Tabela 2, na página a seguir.
% Passante 120 Enquadramento Granulométrica - Borracha Moída 100 80 60 40 20 Abertura das peneiras (mm) 0 0,01 0,1 1 10 Limite Inferior Limite Superior Amostra 1 Amostra 2 FIG. 3 Gráfico do enquadramento granulométrico das amostras de borracha moída Tabela 2 Enquadramento granulométrico da borracha moída FAIXA B - ARIZONA # mm # Nº Limite Inferior Limite Superior Amostra 1 Amostra 2 4,75 4 100 100 100 100 2,36 8 100 100 100 100 2 10 100 100 100 100 1,18 16 65 100 100 100 0,6 30 20 100 60 57 0,3 50 0 45 22 19 0,075 200 0 5 0,2 0 (FONTE: Balaguer, 2012) As propriedades do ligante modificado com borracha são alteradas de forma relevante pela granulometria da borracha. As partículas mais grossas aumentam a viscosidade do produto final (asfalto-borracha), enquanto que as partículas finas, principalmente as que passam na peneira n o 50 (0,30 mm), resultam em um tempo de digestão menor (CALTRANS, 2005). O tempo de digestão ou o tempo de reação é o tempo necessário para que haja a interação entre o asfalto e o agente modificador, a borracha, quando misturados a elevadas temperaturas (CALTRANS, 2003). Neste processo, um novo produto é o resultado
final da mistura: o asfalto-borracha. A digestão entre o asfalto e a borracha é influenciada, segundo TFHRC (2005), pelos seguintes fatores: temperatura da mistura; tempo de digestão; quantidade de borracha incorporada; tipo de misturador mecânico; tamanho e textura da borracha. 3.4 Ligantes Asfálticos Modificados O ligante asfáltico utilizado foi o CAP 30/45, fornecido pela REDUC, refinaria da Petrobrás que abastece regularmente o estado do Rio de Janeiro. O percentual de borracha moída acrescentado à mistura foi de 20% em peso do ligante, com a proporção de 50% de pneus de carga e 50% de pneus de passeio. A produção do ligante modificado em laboratório atendeu às recomendações do consultor do projeto, ou seja, a temperatura do ligante deve estar entre 175 o C e 185 o C para só então ser acrescentada a borracha moída produzida na temperatura ambiente. 3.5 Caracterização do ligante modificado Na Tabela 3, são comparados os resultados da caracterização de ligantes modificados com borracha moída, com ligantes produzidos por processos diferentes: um pelo processo Terminal Blend e outro pelo Continuous Blend. As características específicas de cada ligante quanto ao tipo de CAP, percentual de borracha e características da produção das misturas estão na parte inferior da Tabela 3, nas células sombreadas. Os resultados dos ensaios de caracterização basearam-se em duas amostras de ligante de diferentes dias de coletas, de cujos valores foram calculados a média e o desvio padrão. Pode-se observar que o ligante usado na RJ-122 foi caracterizado quanto à Penetração, Ponto de amolecimento, Resiliência e Viscosidade Brookfield dentro dos limites estabelecidos pelas normas desses ensaios. Segundo BERNUCCI et al. (1999), o aumento da viscosidade do ligante devido à adição de borracha diminui a sensibilidade do ligante à deformação permanente. Tomando como base a afirmação anterior, pode-se dizer, então, que o ligante usado na RJ-122, por ser um dos mais viscosos, é um dos menos sensíveis à deformação permanente.
TAB. 3 Comparação das propriedades entre ligantes modificados com borracha. ENSAIOS Penetração 0,1 mm (100g, 25 o C, 5s) Ponto de Amolecimento Anel e bola ( o C) Resiliência (%), 25 O C Viscosidade Brookfield (cp), 175 O C NORMA RJ-122 Média Desvio ASTM D 5 25 A 75 35,3 5,9 ASTM D 36 ASTM D 5329 AASHTO TP 48 ASTM D 6114 55 mín. 15 mín. 1500 mín. 5000 máx. 68,5 2,2 33 - Fontes et al., 2006 26 65 Fontes et al., 2006 42 68 40 28 3335 667 2829 2179 % Borracha 20 21 20 Tempo de Digestão (min.) 90 90 - Temperatura de Digestão ( o C) 175 a 185 180 - Tipo de ligante CAP 30-45 CAP-20 CAP-20 Método de Produção Continuous Blend Continuous Blend Terminal Blend (FONTE: Balaguer, 2012). O fato de possuir um valor alto também no ensaio de Ponto de Amolecimento corrobora com a afirmação anterior de que o ligante da RJ-122 é mais resistente à deformação permanente. Segundo ODA e FERNANDES (2001), o ponto de amolecimento é crescente, e o comportamento previsto para a Penetração é decrescente, conforme o aumento do teor de borracha. A Tabela 4 mostra o estudo, conduzido no laboratório da Dynatest, em que é feita a comparação entre três diferentes porcentagens de borracha, à temperatura de 135ºC.
TAB. 4 Estudo da viscosidade com diferentes concentrações de borracha moída Ensaio Viscosidade (cp) Tempo Reação (min.) Limite Superior Limite Inferior 20% Borracha 19% Borracha 18% Borracha 15 3513 3339 1150 30 3675 3455 2237 45 4250 3617 2463 60 5000 cp 1500 cp 4175 3537 2737 120 4512 3868 2850 180 4225 3595 2930 240 3850 3232 2820 Penetração 25 75 20 21 20,5 Resiliência - - 41,3 30,6 30,6 Ponto de amolecimento - 57,2 70,5 69,4 70,1 (FONTE: Dynatest, 2010) Observando a tabela acima, verifica-se que quanto maior o percentual de borracha, maior a viscosidade da mistura. Outra característica observada é o aumento da resiliência e do ponto de amolecimento da mistura com maior quantidade de borracha moída. Já no parâmetro penetração, nota-se que nos três percentuais os valores são praticamente convergentes. Outro ponto observado é que a viscosidade máxima das misturas asfálticas estudadas se deu, para o tempo de reação de 120 minutos, tanto para o percentual de 20% quanto para o de 19%. O mesmo não aconteceu para o percentual de 18% de borracha moída, cujo pico de viscosidade ocorreu para o tempo de reação igual a 180 minutos. Observa-se que, aos 15 minutos de reação, apenas o percentual de 18% de borracha moída estava abaixo da faixa mínima de 1500cP desejada, o que, em princípio faz supor que a velocidade no aumento de temperatura é maior para os percentuais maiores de borracha. As principais características que afetam a modificação do ligante asfalto-borracha são a percentagem de borracha, a granulometria das partículas de borracha, o tempo de digestão e a temperatura durante a digestão da mistura. CONCLUSÕES Os agregados utilizados não atenderam ao critério de resistência ao desgaste no ensaio Los Angeles, estabelecido pelo projeto de restauração da RJ-122, por isso foram aceitos com um desgaste à abrasão Los Angeles em uma faixa entre 37 a 45 %, apesar de valor requerido no projeto ser inferior a 26%. A borracha moída destinada à modificação do ligante atendeu, tanto à granulometria (Faixa B ADOT, 2005) quanto à proporção de 50% de pneus de carga e 50% de pneus de passeio, estabelecidos no projeto.
O ligante convencional utilizado foi o CAP 30/45, proveniente da REDUC/ Petrobras, onde os parâmetros de classificação ensaiados quanto à Penetração, Viscosidade e Ponto de Amolecimento, atenderam às faixas características desse tipo de ligante em relação às normas vigentes. Foi adicionado ao ligante 2% de cimento Portland com o intuito de melhorar a adesividade entre o agregado e o ligante. Para a caracterização tradicional do ligante modificado foram utilizadas duas amostras, coletadas em diferentes dias, feitas no extravasor do tanque misturador, onde os limites da norma ASTM 6114, foram atendidos nos ensaios de Penetração, Ponto de Amolecimento, Resiliência e Viscosidade Brookfield. Observou-se que com maior quantidade de borracha moída houve um aumento da resiliência e do ponto de amolecimento do ligante, o que o garante mais resistência á fadiga e à deformação permanente no trecho onde este tipo de ligante é aplicado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ADOT, Arizona Department of Transportation (ADOT) Construction Manual, Section 1009 (Rubber Material). Arizona, USA, 2005A. ADOT, Arizona Department of Transportation (ADOT) Construction Manual, Section 414 ARAC (Asphalt Rubber Asphaltic Concrete). Arizona, USA, 2005B. ASTM D 6114M-09, Standard Specification for Asphalt-Rubber Binder Asphalt Rubber Usage Guide / Caltrans State of California Department of Transportation, 2003. BALAGUER, Marcos.Avaliação estrutural de um pavimento flexível executado em asfalto-borracha, elaborado pelo processo de produção Continuous Blend.2012. 195f. Dissertação. Instituto Militar de Engenharia BERNUCCI, L. L. B., MOTA, L. M. G., CERATTI, J. A. P., SOARES, J. B., Pavimentação Asfáltica: formação básica para engenheiros, Rio de Janeiro, Brasil: PETROBRAS: ABEDA, 2008. CALTRANS, Standard Special Provisions. State of California Department of Transportation, Sacramento, California, USA, 2005. CALTRANS - California Department of Transportation, Maintenance Technical Advisory Guide (TAG), Sacramento, California, 2003. CNT - Confederação Nacional de Transportes, Relatório 2011. DNER-ES 313/97, Pavimentação Concreto Betuminoso, Departamento Nacional de Estradas de Rodagem Especificação de Serviço, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 1997. FUNDAÇÃO DER-RJ, Projeto de Recapeamento da RJ-122, Rio de Janeiro, 2009. HANDBOOK OF HIGWAY ENGINEERING Edition: 2005. ODA, S., Fernandes, J.L., Resultados da avaliação de Asfalto-Borracha através de ensaios tradicionais e de ensaios da especificação Superpave, 2001. Marcos Balaguer: marcosbalaguer@globo.com Bárbara Elis P. Silva: babi.elis@gmail.com Antônio Guimarães: Guimarães@ime.eb.br