FORMULAÇÃO DE MISTURAS BETUMINOSAS RECICLADAS A QUENTE ANTÓNIO MIGUEL BAPTISTA PROFESSOR ADJUNTO, INSTITUTO POLITÉCNICO DE VISEU LUÍS PICADO-SANTOS PROFESSOR ASSOCIADO, UNIVERSIDADE DE COIMBRA RESUMO A técnica de reciclagem a quente em central tem sido aplicada em algumas obras de reabilitação de pavimentos rodoviários em Portugal. Trata-se duma técnica a que é reconhecida uma boa eficiência de ordem económica e ambiental, sendo de esperar um aumento da produção e aplicação de misturas betuminosas recicladas a quente (MBRQ) nos próximos anos. Os métodos usados na formulação de misturas a quente, regra geral são adaptáveis ao estudo de MBRQ. Todavia, o ajuste desses métodos exige a introdução de novos procedimentos, nas diversas fases do processo de formulação, que considerem a influência das propriedades do material fresado e respectivos componentes, nas características finais da mistura reciclada. Nesta comunicação propõe-se um método de formulação de MBRQ baseado no comportamento mecânico das misturas e adaptável às actuais condições tecnológicas portuguesas. Na comunicação apresenta-se exemplo de aplicação ao estudo dum macadame betuminoso reciclado a quente em central com incorporação de material fresado até 40%. 1. INTRODUÇÃO A reciclagem a quente em central acarreta geralmente benefícios de ordem económica e ambiental. Entre as vantagens de ordem económica, destaca-se os menores gastos de agregados e de ligante, este último mais acentuado com o aumento que se tem observado no preço do petróleo bruto. A nível ambiental pode indicar-se o menor emprego de recursos naturais (betume e agregados) e ainda uma melhor aplicação dos materiais provenientes da fresagem.
Este trabalho trata essencialmente da formulação das misturas recicladas a quente em central (MBRQ) e resulta de projecto de investigação que pretende contribuir para o seu estudo e aplicação em Portugal e no âmbito do qual já se apresentaram alguns trabalhos (Baptista e Picado-Santos, 2004, 2005 e 2006). 2. MÉTODO DE FORMULAÇÃO A metodologia de formulação de MBRQ, esquematizada na Figura 1, é aplicável à formulação de misturas com taxa de reciclagem (TR) conhecida à partida e apresenta uma estrutura de base semelhante ao método de formulação de misturas betuminosas a quente proposto por Picado-Santos (2005). 1 2 Caracterização do material fresado e dos agregados novos Estabelecimento da composição de base Composição granulométrica Estimativa da percentagem de betume total Selecção do betume novo a usar Obtenção da percentagem de betume a usar (Método de Marshall) Sensibilidade à água Trechos experimentais 3 Fórmula para execução Ensaios de desempenho Figura 1 Organograma da metodologia proposta para a formulação de misturas betuminosas recicladas a quente As principais fases do processo proposto são comuns às da maioria dos métodos de formulação de MBRQ existentes. Começa por fazer-se a caracterização do material fresado e dos agregados novos, sendo necessário verificar se os materiais (agregados novos e agregado do material fresado), cumprem o especificado para a mistura de referência sem incorporação
de material fresado. Segue-se a obtenção da composição de base (para a taxa de reciclagem adoptada) e que engloba, por ordem, o estudo da composição granulométrica, a estimativa da percentagem de betume total, a identificação do tipo de betume novo e, por fim, a determinação da percentagem de betume a usar. Obtida a composição de base, os procedimentos usados no estabelecimento da fórmula para execução são idênticos aos usados nas misturas tradicionais, podendo ir desde a habitual transposição para trechos experimentais até à tomada de decisão em função das características mecânicas das misturas obtidas em ensaios de desempenho. De seguida descrevem-se as diversas fases do método. 2.1. Caracterização do Material Fresado e dos Agregados Novos Além da caracterização dos agregados novos, faz-se também a caracterização do material fresado em termos de percentagem de ligante, granulometria do agregado do material fresado e penetração e temperatura de amolecimento do ligante recuperado. A percentagem de betume do material fresado pode determinar-se pelo método de incineração seguindo por exemplo a EN 12697-39:2004, sendo assim facilitada a avaliação da granulometria do agregado do material fresado. Deverá ainda fazer-se a recuperação do ligante recorrendo por exemplo a evaporador rotativo segundo a EN 12697-3:2000, e à respectiva determinação das características fundamentais do ligante (penetração e temperatura de amolecimento). 2.2. Estabelecimento da Composição de Base Na segunda fase do método começa-se pelo estudo da composição granulométrica, considerando o agregado do material fresado como mais um agregado presente na MBRQ e respeitando o fuso granulométrico previsto no Caderno de Encargos (CE) para a mistura a quente de referência sem incorporação de material fresado. Segue-se a estimativa da percentagem de betume recorrendo a expressões analíticas, como por exemplo à expressão empírica com base na superfície específica habitualmente usada em Portugal para misturas a frio (Branco et al., 2005), traduzida pela seguinte expressão: pb R = K F Se (1) em que, pb R percentagem de betume total; K módulo de riqueza em betume, sendo K = 3,4 para misturas 0/10 mm; K = 3,0 para misturas 0/19 mm; K = 2,5 para misturas 0/37,5 mm; F constante igual a 2,65/ρa, sendo ρa a massa volúmica da mistura de agregados; Se superfície específica, estimada pela expressão seguinte: 5 Se = 0,25S + (2) 1 + 2,3S2 + 12 S3 135 p200
onde, S 1 proporção ponderal de elementos de dimensão superior a 6,3 mm; S 2 proporção ponderal de elementos de dimensão compreendida entre 0,315 mm e 6,3 mm; S 3 proporção ponderal de elementos de dimensão compreendida entre 0,075 e 0,315 mm; p 200 proporção ponderal de elementos de dimensão inferior a 0,075 mm. Recomenda-se ainda que, neste aspecto, se tome como referência a expressão (3), proposta por Bardesi et al. (2002) e que tem a particularidade de pb R depender da relação ponderal filer/betume, Rfb, e da percentagem de filer na mistura reciclada, aqui interpretada como a percentagem de material que passa no peneiro n.º 200 (p 200 ). pb R p200 = (3) Rfb + p 200 Demonstra-se que a correspondente percentagem de betume novo pode calcular-se pela expressão seguinte: pb = pb pb TR (4) N R F onde, pb N percentagem de betume novo; pb R percentagem de betume total; pb F percentagem de betume do material fresado; TR taxa de reciclagem adoptada. Propõe-se que a selecção do betume a usar se faça a partir da habitual relação logarítmica entre a penetração dos ligantes (LNEC, 2006): ( pen ) TRb log( pen ) + ( 1- TRb) log( pen ) log = (5) R F N em que, pen R penetração pretendida para o ligante final (10-1 mm); pen F penetração do ligante envelhecido do material fresado (10-1 mm); pen N penetração do betume novo (10-1 mm); TRb taxa de reciclagem de betume, obtida pela expressão seguinte: TR pbf TRb = (6) pb R
Tomando como referência (5), seleccionando um determinado tipo de betume, com penetração a 25ºC conhecida, pode estimar-se a penetração do ligante final pela expressão (7). Esta deverá então respeitar os limites pretendidos. Em alternativa, pode seleccionar-se um betume novo que respeite o valor mínimo da penetração obtido pela expressão (8). pen R TRb log( penf ) + ( 1-TRb) log( pen =10 N ) (7) pen N log( penr ) TRb log( penf ) 10 TRb (8) = 1 Depois de escolhido o tipo de betume novo, determina-se a percentagem óptima de betume a usar. Além do método empírico de Marshall, usado no presente trabalho, propõe-se como alternativa a formulação volumétrica com a prensa de corte giratória (PCG). A composição final considera-se estabelecida após a avaliação da sensibilidade à água, realizando o ensaio de resistência conservada. 2.3. Fórmula para Execução Depois de validada a composição de base, faz-se a sua transposição para trechos experimentais, considerando diferentes percentagens de betume, e a decisão final sobre a fórmula para execução (ou fórmula de trabalho), será tomada em função dos resultados dos ensaios de desempenho que permitam avaliar o comportamento mecânico das misturas dos trechos experimentais, nomeadamente no que respeita ao módulo de deformabilidade, à resistência à fadiga e à deformação permanente. 3. EXEMPLO DE APLICAÇÃO Nesta secção apresenta-se um exemplo de aplicação da metodologia anterior até ao estudo da composição de base duma MBRQ e considerando incorporações de material fresado de 30% e 40%. A mistura a estudar é um macadame betuminoso (Fuso A), usada no nosso país em camada de base ou regularização. Além das misturas recicladas considerou-se uma mistura tradicional sem material fresado. 3.1 Material Fresado e Agregados Novos Determinou-se a percentagem de betume de três amostras do material fresado disponível, pelo método de incineração, tendo-se chegado a um valor médio corrigido de 4,1%. O material fresado apresentou granulometrias 0/40 e 0/20, respectivamente, antes e após a incineração. Com as amostras de agregado resultantes determinou-se a granulometria de referência do agregado do fresado. Em termos de agregados novos, usaram-se duas britas (15/25 e 5/15), pó
0/5 e filer. Depois recuperar o ligante do material fresado em evaporador rotativo, determinou-se a penetração a 25ºC segundo a EN 1426:1999 e o ponto de amolecimento pelo método do anel e bola pela EN 1427:1999. Como se esperava, os resultados revelaram um betume duro de baixa penetração (14 10-1 mm) e temperatura de amolecimento alta (71 ºC). 3.2. Composição de Base 3.2.1. Composição Granulométrica Para cada uma das misturas, determinou-se numericamente a composição granulométrica da mistura de agregados (agregado do material fresado e agregados novos) de maneira a respeitar o fuso alvo. No Quadro 1 apresentam-se os resultados a que se chegou. Quadro 1 Resultados da composição granulométrica Agregado Proporção dos agregados na mistura de agregados (%) TR = 0% TR = 30% TR = 40% Filer 5,0 5,5 6,0 Pó 0/5 41,5 24,5 18,5 Brita 5/15 23,5 12,5 9,0 Brita 15/25 30,0 27,5 26,5 Material fresado 0,0 30,0 40,0 3.2.2. Estimativa da percentagem de betume total Como antes se referiu, a percentagem de betume total calculou-se pela fórmula empírica com base na superfície específica e considerando K = 2,75. No Quadro 2 apresenta-se um resumo dos resultados obtidos. No que respeita à relação filer/betume, tomou-se como referência a equação (3) e determinaram-se os intervalos de variação da percentagem de betume total correspondentes aos limites definidos no CE e que se indicam no Quadro 3. Quadro 2 Resumo dos resultados da aplicação da fórmula da superfície específica Parâmetro TR = 0% TR = 30% TR = 40% F 0,986 0,986 0,986 Se 8,60 9,46 10,02 pb R (%) 4,2 4,3 4,3 Quadro 3 Resumo dos resultados da aplicação da relação filer/betume Parâmetro TR = 0% TR = 30% TR = 40% p 200 5,1 5,7 6,1 pb R (mínima, Rfb = 1,5) 3,3 3,7 3,9 pb R (máxima, Rfb = 1,1) 4,4 4,9 5,3
3.2.3. Selecção do betume novo a usar Tendo-se verificado que os resultados proporcionados pela expressão com base na superfície específica se encontram dentro dos limites relativos à relação filer/betume, tomaram-se os primeiros como referência. Assim, tendo em conta a percentagem de ligante do material fresado (4,1%), pela expressão (4), determinou-se a percentagem de betume novo: TR = 30% pb N = 4,3% 4,1% 0,30 = 3,1% TR = 40% pb N = 4,3% 4,1% 0,40 = 2,7% De acordo com a equação (6) as taxas de reciclagem de betume correspondentes são: 0,30 4,1% TR = 30% TRb = = 0,286 = 28,6% 4,3% 0,40 4,1% TR = 40% TRb = = 0,381 = 38,1% 4,3% Inicialmente, na selecção do betume novo, admitiram-se os dois betumes de destilação directa mais usados em Portugal no fabrico de misturas a quente: 35/50 (pen N 42,5 10-1 mm) e 50/70 (pen N 60 10-1 mm). No Quadro 4 apresenta-se um resumo do cálculo da penetração esperada para o ligante final das misturas recicladas obtidas a partir da expressão (7). Quadro 4 Resumo da obtenção da penetração do ligante final, para TR de 30% e 40%, e betumes 35/50 e 50/70 TR (%) pb F (%) Tipo de betume pb R (%) TRb (%) pen F (10-1 mm) pen N (10-1 mm) pen R (10-1 mm) 30 4,1 35/50 4,3 28,6 14 42,5 31 40 4,1 35/50 4,3 38,1 14 42,5 28 30 4,1 50/70 4,3 28,6 14 60,0 40 40 4,1 50/70 4,3 38,1 14 60,0 35 Na produção das misturas usou-se betume asfáltico 35/50, o único disponível em central, caracterizado por uma penetração a 25ºC de 39 10-1 mm e temperatura de amolecimento de 52ºC. A este betume corresponde uma penetração do ligante final de 29,1 10-1 mm e 26,4 10-1 mm, para as taxas de reciclagem de 30% e 40%, respectivamente. 3.2.4. Obtenção da percentagem de betume a usar Para estabelecimento da percentagem de betume usou-se o método de Marshall. No estudo consideraram-se os valores de percentagem de betume total a oscilar entre 4,0% e 6,0%, e as
correspondentes percentagens de betume novo indicadas no Quadro 5. Os valores de referência antes adoptados, 3,1% e 2,7%, embora não correspondam ao valor central situamse dentro da gama de valores considerada. Quadro 5 Percentagens de betume novo usadas no método de Marshall TR (%) pb R = 4,0% pb R = 4,5% pb R = 5,0% pb R = 5,5% pb R = 6,0% 30 2,8% 3,3% 3,8% 4,3% 4,8% 40 2,4% 2,9% 3,4% 3,9% 4,4% Na preparação dos provetes em laboratório, o betume foi aquecido a 140ºC e os agregados novos a 180ºC. Na produção das MBRQ em laboratório, o material fresado foi aquecido a uma temperatura da ordem dos 135ºC. Seguindo o procedimento habitual, após a obtenção da baridade dos provetes, realizou-se o ensaio de compressão Marshall, determinando a força de rotura e a deformação. Determinou-se a baridade máxima teórica das misturas em laboratório recorrendo ao picnómetro de vácuo. Após a análise dos resultados obtiveram-se os valores óptimos da percentagem de betume novo a adicionar: 3,2% na mistura com 30% e 3,1% para TR de 40%. De seguida, determinaram-se os correspondentes valores de força de rotura, porosidade, VMA e deformação, para verificação das condições definidas no CE relativas ao macadame betuminoso (Quadro 6). Determinou-se ainda a resistência conservada para avaliar a sensibilidade à água das misturas, tomando como referência a norma militar americana MIL- STD-620A e a RILEM 17 BM/n.º 3. Quadro 6 Resumo das características das misturas para a percentagem óptima de betume Característica Limites TR = 30% TR = 40% Força de Rotura 8000 a 15000 10550 10200 Deformação máxima 4 mm 3,3 4,1 VMA mínimo 13% 13,0 15,0 Porosidade (%) 4% a 6% 2,6 5,0 Resistência conservada > 70% 87,4 92,0 Perc. óptima de betume (%) 3,2 3,1 Perc. óptima de betume total (%) 4,4 4,7 Relação ponderal filer betume 1,1 a 1,5 1,2 1,2 Como se pode observar, quase todas as características obtidas assumem valores satisfatórios. As únicas excepções são a deformação, que para a taxa de 40% ultrapassa em apenas 10-1 mm o limite, e a porosidade que para a taxa de reciclagem de 30% ficou um pouco abaixo do limite.
4. FÓRMULA PARA EXECUÇÃO 4.1. Trechos Experimentais Nos trechos experimentais, além da percentagem de betume de referência, consideraram-se outras duas, uma 0,5% abaixo e outra 0,5% acima. Resultaram assim três misturas por cada trecho, num total de 9 misturas (Quadro 7). Na mistura de macadame normal adoptou-se 4,2% para percentagem de betume central. Quadro 7 Resumo das misturas aplicadas nos trechos experimentais Mistura A1 A2 A3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 TR (%) 0 0 0 30 30 30 40 40 40 pb R (%) - - - 3,9 4,4 4,9 4,2 4,7 5,2 pb N (%) 3,7 4,2 4,7 2,7 3,2 3,7 2,6 3,1 3,6 4.2. Ensaios de Desempenho A obtenção do módulo de deformabilidade, segundo a EN 12697-26:2004, e das características de fadiga, tomando como referência a EN 12697-26:2004, em ensaios de vigas em flexão repetida em quatro pontos, foi realizada na Máquina de Ensaios com Aplicação de Cargas Repetidas, desenvolvida no DEC-FCTUC. Para tal usaram-se provetes prismáticos (vigas) provenientes dos trechos experimentais. O equipamento permitiu executar também os ensaios de compressão uniaxial de cargas repetidas (fluência dinâmica), como previsto na EN 12697-25:2005, com vista à avaliação do comportamento à deformação permanente. 4.2.1. Avaliação do Módulo de Deformabilidade O módulo de deformabilidade foi determinado para uma extensão controlada de 100 microns, a três temperaturas (15ºC, 25ºC e 40ºC) e para três frequências (10Hz, 5Hz e 1 Hz). Para cada caso foram ensaiadas três vigas e, além do módulo de deformabilidade, determinou-se também o ângulo de fase. No Quadro 8 apresenta-se um resumo dos resultados da avaliação do módulo de deformabilidade para a frequência de 10 Hz. Os resultados obtidos permitiram concluir que as características de deformabilidade das MBRQ são idênticas às das misturas normais. Quadro 8 Módulo de deformabilidade das misturas, medidos a 10 Hz Temperatura A1 A2 A3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 15ºC 8178 8930 8867 9069 8668 9383 9187 9297 9013 25ºC 6033 5925 5834 6148 5926 5881 6568 6241 5356 40ºC 2321 2026 1863 2732 2283 2021 2757 2467 1935
4.2.2. Avaliação do Comportamento à Fadiga Para avaliação da resistência à fadiga efectuaram-se ensaios de cargas repetidas, idênticos aos realizados para medir as características de deformabilidade. No que respeita à temperatura de ensaio, adoptou-se a temperatura de 25ºC, a qual é representativa das condições de serviço em Portugal Continental (Picado-Santos, 1995). Quanto ao carregamento, de forma sinusoidal, foi imposta uma frequência de 10 Hz, a qual corresponde a um tempo de carregamento de 0,02 s e uma velocidade média da corrente de tráfego da ordem dos 50 km/h. Realizaram-se os ensaios para três níveis de extensão e impôs-se como critério de paragem uma redução de 50% no valor do módulo de deformabilidade da mistura. A partir dos parâmetros das leis de fadiga, do tipo ε = A N B, obtidas em laboratório, determinou-se a extensão de tracção necessária para que haja rotura do material ao fim de um milhão de ciclos, designada por ε 6, e fez-se a respectiva representação gráfica (Figura 2). 250 Extensão (microns) 200 150 100 50 0 A1 A2 A3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 Figura 3 Representação gráfica da extensão de tracção necessária para que haja rotura do material ao fim de 1 milhão de ciclos Como seria de esperar observa-se, para cada trecho, uma melhoria do desempenho em termos de resistência à fadiga com o aumento da percentagem de betume. As misturas recicladas a quente apresentam um bom comportamento à fadiga, quando comparado com a das misturas de referência (Trecho A). Refira-se ainda que mesmo as MBRQ com menor percentagem de betume (C1 e D1) denotam uma resistência à fadiga melhor que as misturas de referência. 4.2.3. Avaliação do Comportamento à Deformação Permanente Para avaliar o comportamento à deformação permanente das misturas betuminosas, realizaram-se ensaios de compressão uniaxial de cargas repetidas. Adoptou-se uma temperatura de ensaio de 45ºC, a qual representa o valor de referência adoptado em Portugal na caracterização mecânica à deformação permanente de misturas betuminosas para camada de base (Freire et al., 2002). O condicionamento, ao ar, foi cumprido durante um mínimo de seis horas e adoptou-se uma carga do tipo sinusoidal com repouso de 1 segundo, uma duração do ensaio de 2 horas (3600 ciclos) e pressão de 150 kpa assegurada para a carga de 1,1 kn. A
análise dos resultados dos ensaios de compressão uniaxial de cargas repetidas conduziu aos valores de velocidade de deformação representados na Figura 3. 2,0 Vdef (microns/ciclo) 1,5 1,0 0,5 0,0 A1 A2 A3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 Figura 4 Representação da velocidade de deformação nos ensaios de compressão uniaxial Em termos de velocidade de deformação, regra geral, observa-se um aumento com o incremento da percentagem de betume. No global pode afirmar-se que o comportamento à deformação permanente das MBRQ (trechos C e D) é idêntico ou melhor que o da mistura de macadame normal (trecho A). 5. CONCLUSÕES Uma análise individualizada por trecho, permitiu concluir que entre as composições estudadas, existe uma indicação de melhor desempenho das misturas A2, C1 e D1, as quais apresentavam percentagens de betume total muito próximas (entre 4,1% e 4,3%), o que, tomando como referência o desempenho da mistura tradicional, vem demonstrar que as misturas recicladas a quente com incorporação de material fresado são confiáveis. Finalmente, é desejável que a reciclagem a quente em central constitua uma efectiva alternativa tecnológica para a reabilitação de pavimentos rodoviários flexíveis em Portugal. Para tal será necessário continuar com o trabalho que conduza a uma normalização de procedimentos adaptados à tecnologia portuguesa, nomeadamente no que respeita à formulação das MBRQ. AGRADECIMENTOS A investigação que deu origem a esta comunicação foi desenvolvida com o apoio do Programa para o Desenvolvimento Educativo em Portugal (PRODEP III), Medida 5 - Acção 5.3 - Formação Avançada de Docentes do Ensino Superior, através de bolsa atribuída ao primeiro autor, o qual desde já se agradece. Os autores agradecem ainda à AENOR pela preciosa colaboração na execução dos trechos experimentais.
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