39ª REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO 13º ENCONTRO NACIONAL DE CONSERVAÇÃO RODOVIARIA 39ª RAPv/ 13º ENACOR Recife/PE - BRASIL - 16 a 19 de setembro de 2008 COMPORTAMENTO DE MISTURAS ASFÁLTICAS A QUENTE COM AGREGADOS PROVENIENTES DE JAZIDAS DE SEIXO NO ESTADO DO PARÁ. Joao Batista Queiroz de Souza 1 ; José Afonso Gonçalves de Macêdo 2 ; Laura Maria Goretti da Motta 3 ; Licia Mouta da Costa 4. 1 Engenheiro civil, Maia Melo Engenharia LTDA 2 Professor Adjunto DSc. UFCG afonso@geotecnia.ufcg.edu.br 3 Professor Adjunto DSc. COPPE/UFRJ - laura@coc.ufrj.br 4 Professor Adjunto DSc. UFPE - licia@ufpe.br.
RESUMO Na grande Belém/PA e nas rodovias BR-316, trecho: Belém Divisa PA/MA, e BR-010, conhecida como a rodovia Belém-Brasília, o agregado utilizado nas misturas asfálticas é o seixo, proveniente de jazidas, situadas nos municípios de Ourém, São Miguel do Guama e Capanema. Este trabalho apresenta o estudo de três misturas do tipo densas e continuas, atendendo a faixa granulométrica C da antiga especificação do DNER, ES-313/97, moldadas com o ligante CAP-50/70, proveniente da LUBNOR, Fortaleza/CE. O filer utilizado nas misturas foi o cimento Portland. As características mecânicas foram definidas pelo módulo de resiliência, resistência a tração, deformabilidade sob cargas repetidas e fadiga em corpos de prova cilíndricos compactados, segundo o método Marshall com 50 golpes por face. A análise dos dados das características mecânicas, conferiu a mistura 3, confeccionada com seixo britado e atendendo as recomendações definidas pelo método Bailey, melhor desempenho com relação a fadiga. PALAVRAS CHAVES: agregados, misturas asfálticas, pavimentos flexíveis. ABSTRACT In Belém outskirts and BR316 highway, PA/MA division, and BR010, known as Belém-Brasília highway, the aggregate used in asphalt mixtures is pebble coming from the mines located in Ourem, São Miguel do Guama and Capanema. This work presents a study of three dense and continuous mixtures, in the C gradation zone of the old DNER specification, ES-313/97, molded with CAP-50/70 binder, coming from LUBNOR, Fortaleza/CE. The filler used in the mixtures was Portland cement. The mechanical characteristics were defined by the resilient modulus, tension strength, strain under repeated loading and fatigue in compacted cylindrical specimens, according to Marshall s method with 50 blows by side. The analysis of the mechanical characteristics showed that mixture 3, with brittle pebble and following the recommendations established by Bailey method, presented a better performance concerning fatigue. KEYWORDS: agregates, asphalt mixture, flexible pavements.
INTRODUÇÃO O transporte (cargas e passageiros) representa importante setor da economia mundial, sendo elemento de interação das atividades econômicas. Na atual realidade brasileira, o modal rodoviário é o melhor aparelhado do país, transportando os mais variados tipos de bens para diferentes extratos sociais e responsável por cerca de 96% da matriz de transporte de passageiros e de 62% da matriz de transporte de cargas, conforme relata a Confederação Nacional de Transportes - CNT. As rodovias pavimentadas, são distribuídas em: 58.152km de rodovias federais, 115.393 km de rodovias estaduais e 22.735km de rodovias municipais (CNT 2007), sendo os governos responsáveis pela ampliação, conservação e manutenção da malha, conforme a respectiva Jurisdição. Aproximadamente 10.800km das rodovias pavimentadas são administrados por operadoras e iniciativa privada mediante a cobrança de tarifas de pedágio. A 2ª UNIT Unidade de Infra-Estrutura Terrestre, situada em Belém/PA, foi criada no ano de 1950 e sua Jurisdição abrange as rodovias federais, localizadas nos Estados do Pará e Amapá. O Quadro 01 apresenta a distribuição da malha na região de acordo com o PNV - Plano Nacional de Viação. Quadro 01 - Distribuição (km) da malha rodoviária federal nos estados do Pará e Amapá. Condição Pará Amapá Pavimentada Implantada Planejada Total 1.622,4 3.010,0 2.583,2 7.215,6 322,0 642,1 166,0 1.130,1 A área territorial do Estado do Pará é de 1.253.164,49km 2, necessitando de rodovias com grandes extensões, por exemplo, a BR-163, com 1.972,4 km e a BR-230, com 1.569 km. Essas rodovias atravessam regiões com características geológicas diferentes, observando-se ao longo delas, segmentos em que ocorrem afloramentos com rochas graníticas, outros ricos em aluviões de seixos, segmentos com presença de solos lateríticos, segmentos pobres de materiais para serem utilizados in-natura no pavimento, etc. Nos projetos de engenharia para construção e restauração de uma rodovia é necessário ter como princípio básico a racionalização de custos e a utilização dos materiais existentes na região, como forma de viabilizar técnica e economicamente o investimento da obra. Após a pavimentação de uma rodovia, é fundamental a existência de um sistema de balanças para operação via, e acompanhamento dos avanços tecnológicos implantados em veículos de carga pelas montadoras no Brasil. Necessita-se também, um programa de conservação permanente, pois o que se observa em nosso país é uma elevada deterioração da estrutura do pavimento, acarretando altos investimentos para a reconstrução, como também esgotando as ocorrências de materiais, muitas vezes, já de difícil identificação e exploração. Este trabalho resulta de pesquisa conduzida por Souza (2007) com finalidade de avaliar o comportamento mecânico de misturas asfálticas no desempenho estrutural de pavimentos, através da determinação de propriedades mecânicas (módulo de resiliência, resistência a tração, fadiga e deformação permanente ( creep dinâmico)) de três misturas com a utilização do seixo in-natura e britado, e ligante CAP 50/70, como alternativas para revestimento da rodovia BR316/PA.. A análise de resultados desse experimento demonstra a viabilidade da utilização do seixo em misturas asfáltica a quente e realça a importância das recomendações do método Bailey.
MATERIAIS E METODOS Materiais Ligante Asfáltico O CAP 50/70 foi produzido pela Lubrificantes do Nordeste (Lubnor/Petrobras - CE).. Agregados e Fíler Seixo: proveniente de seixeira comercial, localizado no município de Ourém/PA, distante 180km de Belém, capital do estado do Pará. A exploração da seixeira é feita através do sistema de dragagem e o transporte para Belém em Balsas ou pela Rodovia BR-316/PA. Na pesquisa foram empregadas duas formas para utilização do seixo: in-natura e britado. A exploração das seixeiras é feita através de sistemas de dragagem com tratamento por lavagem e peneiramento para separação das frações graúda e miúda; quando especificado em projeto o seixo pode ser britado. O transporte para obras é feito em balsas ou por meio rodoviário. Areia:areial comercial, localizado 48,5km, da cidade de Belém. Filer: cimento Portland (Cimento POTY CP II Z 32) Metodologia Empregada Foram realizados ensaios físicos e mecânicos para caracterização dos materiais empregados na pesquisa. Agregados e Fíleres O Quadro 02 apresenta as características dos agregados minerais usados neste trabalho Na Figura 01 estão apresentadas fotos do seixo em diferentes frações nas condições natural e britado. Observa-se que o seixo in-natura apresenta a forma não arredondada com textura pouco rugosa, enquanto que o agregado proveniente da britagem exibe forma cúbica e textura rugosa. Ligante Asfáltico Os ensaios de caracterização do ligante asfáltico (CAP50/70) estão apresentadas no Quadro 03. Quadro 02 - Características dos agregados ENSAIO ESPECIFICAÇÃO DNER SEIXO IN NATURA AGREGADO MINERAL SEIXO BRITADO AREIA CIMENTO Densidade Real do Grão DNER-ME-081/94 2,643 2,643 2,620 2,900 Densidade Aparente do Grão DNER-ME-081/94 2,590 2,590 - - Absorção (%) DNER-ME-081/94 0,87 - - Abrasão Los Angeles (%) DNER-ME-035/98 GRADUAÇÃO B 39,5 39,5 - - Equivalente de Areia (%) DNER-ME-054/94 - - 74 - Índice de Forma DNER-ME-086/94 0,96 0,86 - - Índice de Forma (Paquímetro) ABNT NBR 7809/83 1,86 2,01 - - Durabilidade (%) DNER-ME-089/94 0,07 0,19 - -
Figura 01: Formas dos agregados provenientes de seixo Quadro 03: Características do Cimento asfáltico de Petróleo. CARACTERÍSTICA MÉTODO CAP 50/70 ESPECIF. MEDIDO Penetração (100g, 5s, 25ºC) 0,1 mm NBR 6576 50 70 53 Ponto de amolecimento, ºC NBR 6560 46 (min) 48 Índice de Susceptibilidade Térmica IST (1) (-1,5) a (+0,7) -1,57 Ponto de fulgor ºC NBR 11341 235 (min.) 334 Viscosidade SayboltFurol a 135ºC, segundos NBR 14950 141 (min.) 200 Aquecimento a 175ºC Não espuma Não espuma Densidade (t/m 3 NBR ) 6296/2004 1,030 MISTURAS ASFÁLTICAS ESTUDADAS Neste trabalho foram estudadas 3 (três) misturas asfálticas densas do tipo Concreto Betuminoso Usinado a Quente (CBUQ). O procedimento de dosagem selecionado para definição do teor de ligante de projeto foi o método Marshall, com o critério recomendado por Roberts et al. (1996) e NAPA (1982). O Quadro 04 apresenta feições das misturas asfálticas pesquisadas. Quadro 04 - Tipos de misturas estudadas PTMN MISTURA TIPO LIGANTE (mm) 01 Densa e Contínua 12,5 CAP-50/70 02 Densa e Contínua 19,0 CAP-50/70 03 Densa e Contínua 19,0 CAP-50/70 PTMN - Peneira correspondente ao Tamanho Máximo Nominal
Mistura 01 A mistura denominada Mistura 01, cuja granulometria está apresentada no Quadro 05 e curva granulométrica na Figura 02, com a PTMN de 12,5 mm, utilizando o seixo in natura, foi projetada com vista a representar, o mais próximo possível, o Concreto Betuminoso Usinado a Quente (CBUQ), especificação DNER-ES-313/97, faixa C, vigente a época do início dos serviços de pavimentação e restauração da rodovia BR-316/PA. De acordo com os resultados apresentados no Quadro 07. Observa-se que apenas o parâmetro PFAM (Proporção Fina do Agregado Miúdo), definido no método Bailey, atende as faixas recomendadas. Mistura 02 A mistura 02 cuja granulometria está no Quadro 05, foi elaborada a partir da Mistura 01, ajustando-se as proporções dos agregados e as granulometrias, com a finalidade de enquadrar os parâmetros do método Bailey nas faixas recomendadas. As modificações consistiram de: - aumento do percentual do seixo 01, na mistura para elevar o valor do PAG (Proporção de Agregado Grosso), e como conseqüência a PTMN passou de 12,5mm para 19,0mm. - redução do percentual do seixo 0 na mistura, para diminuir o PGAM (Proporção Graúda do Agregado Miúdo). - ajuste na granulometria conforme tabela 5.2 do seixo 0 e da areia grossa para o melhor enquadramento do PGAM (Proporção Graúda do Agregado Miúdo). Mistura 03 A Mistura 03, com a PTMN, de 19,0 mm, foi confeccionada com seixo britado visando aumentar o número de arestas agudas e faces rugosas melhorando a cubicidade dos agregados. A composição granulométrica foi concebida com os elementos apresentados no Quadro 06, para que os parâmetros definidos no método Bailey (Quadro 07) se enquadrassem nas faixas recomendadas. Para isto, foi necessário ajustar as granulometrias dos seixos e da areia. A granulometria resultante está apresentada no Quadro 05. Método Bailey O Método Bailey foi desenvolvido pelo engenheiro Robert Bailey, do Departamento de Transportes de Ilinois (IDOT), e vem sendo usado desde o início da década de 80. Vavrik et al (2001, 2002), vêm refinando o método fazendo com que ele se torne aplicável, a qualquer mistura, independentemente do tamanho máximo do agregado. O método contém ferramentas que permitem a avaliação da combinação de agregados para melhor compreensão da relação entre a granulometria e as propriedades da mistura. A otimização dos vazios e do intertravamento entre os agregados irá promover misturas resistentes à deformação permanente. Dessa forma, o método tenta adequar as vantagens das misturas densas com as vantagens das misturas descontínuas. A Figura 03 apresenta o esquema de peneiras definidor para cálculo dos parâmetros. Os Parâmetros do Método Bailey estão definidos pelas equações 01,02 e 03. Merecem destaque observações decorrentes da combinação de agregados para obtenção de composição granulométrica atendendo requisitos Bailey, apesar de viável em laboratório, pode causar problemas operacionais para fabricação de misturas asfálticas usinadas quando se leva em consideração os processos produtivos convencionais de agregados e a quantidade de silos frios disponíveis nas usinas. A mesma situação pode ocorrer com a implementação de dosagens de misturas do tipo SMA - Stone Matrix Asphalt (Souza,2007). Quadro 05: Granulometria das Misturas PENEIRA ABERTURA COMPOSIÇÃO GRANULOMÉTRICA % PASSANTE mm MISTURA 01 MISTURA 02 MISTURA 03 1 25 100 100 100 3/4 19 100 100 100
1/2 12,5 93,8 86,3 86,3 3/8 9,5 83,8 75,2 79,0 Nº 4 4,75 62,0 59,9 65,4 Nº 8 2,36 51,3 40,3 43,1 Nº 10 2,00 49,6 37,3 39,7 Nº 16 1,18 36,3 26,0 27,0 Nº 30 0,60 26,8 18,0 18,0 Nº 40 0,42 23,9 15,6 15,2 Nº 50 0,30 18,0 12,7 12,9 Nº 80 0,18 12,2 9,8 10,7 Nº 100 0,15 10,3 8,5 9,3 Nº 200 0,075 5,6 5,1 5,8 Figura 02: Distribuição Granulométrica das misturas densas e contínuas segundo especificações do DNER (ES- 313/97 CBUQ Faixas C). Proporção de Agregado Graúdo (PAG) % PassantePM % PassantePPC PAG = 100% PassantePM (01) Proporção Graúda do Agregado Miúdo (PGAM) %PassanteSPC PGAM = % PassantePPC (02) Proporção Fina do Agregado Miúdo (PFAM) %PassanteTPC PFAM = % PassanteSPC (03)
O Quadro 08 contém o resumo dos resultados dos ensaios Marshall das misturas. Os resultados apresentados para cada teor de ligante corresponde a média dos 3 três corpos-de-prova ensaiados. Figura 03: Esquema das peneiras definidas pelo Método Bailey Quadro 06: Elementos para Cálculo dos Parâmetros do Método Bailey. ELEMENTOS PARA CÁLCULO DOS PARÂMETROS MISTURA 01 MISTURA 02 MISTURA 03 PTMN 12,5 mm 19,0 mm 19,0 mm PPC 51,3% 59,9% 65,4% SPC 26,8% 26,0% 27,0% TPC 10,3% 12,7% 12,9% PM 62,0% 75,2% 79,0% PTMN: Peneira tamanho máximo nominal PPC : Primeira peneira de controle PM : Peneira metade SPC : Segunda peneira de controle TPC : Terceira peneira de controle Quadro 07 - : Parâmetros Bailey MISTURA 01 PARÂMETRO VALOR CALCULADO FAIXA RECOMENDA DA MÉTODO BAILEY ATENDIMENTO PAG 0,28 0,50-0,65 NÃO PGAM 0,52 0,35-0,50 NÃO PFAM 0,38 0,35-0,50 SIM
02 03 PAG 0,62 0,60-0,75 SIM PGAM 0,43 0,35-0,50 SIM PFAM 0,49 0,35-0,50 SIM PAG 0,65 0,60-0,75 SIM PGAM 0,41 0,35-0,50 SIM PFAM 0,48 0,35-0,50 SIM Quadro 08: Parâmetros Volumétricos e Estabilidade MIST. % LIG. DENSIDADES VOLUMES - % TOTAL APAR. TEÓR. LIG. AGREG. VAZ. 4,5 2,293 2,466 10,0 82,9 7 17,1 7 58,7 538 1 5 2,315 2,448 11,2 83,3 5,5 16,7 5,5 67,3 463 5,5 2,328 2,431 12,4 83,3 4,3 16,7 4,3 74,5 429 6 2,335 2,413 13,6 83,1 3,3 16,9 3,3 80,7 454 Projeto 5,6 2,330 2,427 12,66 83,31 4 17,05 4 76,5-4,5 2,324 2,465 10,2 84,0 5,8 15,9 5,8 63,8 472 2 5 2,331 2,448 11,3 83,9 4,8 16,1 4,8 70,4 400 5,5 2,356 2,430 12,6 84,3 3 15,6 3 80,5 448 6 2,385 2,413 13,9 84,9 1,2 15,1 1,2 92,2 441 Projeto 5,2 2,343 2,441 11,82 84,1 4 16,18 4 75,3-4,5 2,300 2,467 10,0 83,1 6,8 16,8 6,8 59,6 479 3 5 2,319 2,450 11,2 83,4 5,3 16,6 5,3 67,9 548 5,5 2,338 2,432 12,4 83,6 3,9 16,3 3,9 76,4 508 6 2,350 2,415 13,6 83,6 2,7 16,4 2,7 83,7 549 Projeto 5,4 2,338 2,435 12,2 83,7 4 16,62 4 75,9 - CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA Neste trabalho o comportamento mecânico das três misturas asfálticas foram avaliadas através dos ensaios: módulo de resiliência; resistência a tração por compressão diametral, fadiga por compressão diametral e deformação por fluência (creep dinâmico). Módulo de Resiliência O Quadro 09 apresenta os valores de módulos de resiliência obtidos para as misturas estudadas. Quadro 09 - Módulos de resiliência das misturas avaliadas. MIST. LIG. TIPO MÓDULOS (kg/cm 2 ) VAM % CP 01 CP 02 CP 03 CP 04 VV % MÉDIA (kg/cm 2 ) RBV % ESTATÍSTICO DESVIO PADRÃO EST. Kg COEFICIENTE VARIAÇÃO 01 CAP- Densa e 50/70 Contínua 26.662 25.510 26.153 26.734 26.265 566 2,1% 02 CAP- Densa e 50/70 Contínua 25.286 25.704 24.154 28.754 25.974 1.965 7,5% 03 CAP- Densa e 25.439 25.225 25.888 24.154 25.176 735 2,9%
50/70 Contínua De acordo com os resultados apresentados no Quadro 09 os módulos apresentam valores semelhantes, variando de 25.176 kg/cm 2 à 26.265 kg/cm 2. Pode-se observar também que de maneira geral a variabilidade entre resultados individuais de cada mistura é muito pequeno e apontam para confirmação da importância do controle das condições de contorno para execução de experimento em laboratório. Vale destacar a atenção que deve ser dada as operações de pesagem das frações e o controle das condições de umidade e temperatura no ambiente durante o ensaio. Resistência à Tração (RT) Estática por Compressão Diametral Na pesquisa foi adotada a temperatura de ensaio de 25ºC. Os resultados obtidos para as misturas analisadas estão resumidos no Quadro 10. Quadro 10 - Resistência a tração das misturas. RESISTÊNCIA A MIST. LIG. TIPO 01 02 03 CAP- 50/70 CAP- 50/70 CAP- 50/70 Densa e Contínua Densa e Contínua Densa e Contínua TRAÇÃO(kgf/cm 2 ) CP 01 CP 02 CP 03 CP 04 MÉDIA (kgf/cm 2 ) ESTATÍSTICO DESVIO PADRÃO COEFICIENTE VARIAÇÃO 7,6 7,5 7,8 7,8 7,7 0,14 1,8% 7,9 7,5 7,5 7,4 7,6 0,23 3,0% 7,5 8,5 8,2 8,3 8,1 0,45 5,5% Analisando-se os dados apresentados no Quadro 10 observa-se que a mistura 03 foi a que apresentou maior resistência a tração, com valor de 8,1kg/cm², seguida pela mistura 01, com 7,7 kgf/cm² e da mistura 02 com 7,6 kgf/cm². Provavelmente a utilização do seixo britado, proporcionou o aumento da RT da mistura 03. Os valores de RT da mistura 01 e da mistura 02, podem ser considerados iguais, do ponto de vista prático, dificultando associar esse parâmetro ao teor de ligante ou a granulometria de cada mistura. Fadiga por Compressão Diametral a Tensão Controlada A Figura 04 apresenta os modelos de fadiga para as misturas estudadas em termos do número de repetições de carga versos diferença de tensões (Δσ) no centro do corpo de prova juntamente com as linhas de tendências ajustadas por técnica de regressão linear. O Quadro 11 mostra as equações ajustadas para modelo de fadiga expresso como uma função da diferença de tensões (Δσ) em MPa, n 1 N = k Δσ. Como os módulos são muito próximos é possível comparar diretamente as curvas de fadiga. O desempenho da mistura 03 é superior aos das misturas 02 e 01, para tensões baixas e a mistura 02 é superior ao da mistura 01. O ajuste da granulometria efetuado na mistura 02, em relação a mistura 01, com vista, a enquadrar os parâmetros definidos no método Bailey, nas faixas recomendadas, proporcionou a melhora do desempenho da mistura em relação a fadiga. Com relação a mistura 03, com composição granulométrica atendendo critério Bailey e seixo britado, observa-se desempenho superior em relação a fadiga. Verifica-se também, na Figura 04, que para os níveis de tensão de 30%, 40% e 50%, os comportamentos das três misturas podem ser considerados semelhantes. Compressão Axial Dinâmica ( Creep Dinâmico)
Para cada mistura, foram confeccionados 08 corpos de prova, dos quais 04 foram ensaiados no laboratório de pavimentação da UFCG, que teve como procedimento de ensaio, medir as leituras de deformação no topo dos corpos de prova, e 04 corpos de prova ensaiados no laboratório da COPPE, no Rio de Janeiro, onde as medidas de deformação foram efetuadas no centro do corpo de prova. Em ambos os laboratórios a temperatura do ensaio foi de 25 C. Nos corpos de prova ensaiados no laboratório de pavimentação da UFCG, não foram efetuadas as medidas de deformação permanente, após o período de recuperação elástica, correspondente aos 15 minutos, após o termino da aplicação da carga. A análise dos resultados deste ensaio demonstra diferenças consideráveis entre procedimentos, conforme observou Viana et al (2003), porém em ambos de caso parece sintomática a tendência de apresentar maior deformação permanente as misturas com maiores teores de ligante. 1000000 VIDA DE FADIGA x DIFERENÇA DE TENSÕES MISTURA 01 MISTURA 02 Número de aplicações, N 100000 10000 1000 MISTURA 03 100 0,1 1 10 Diferença de tensões, Δσ (MPa) Figura 04: Representação dos ensaios de fadiga: Número de repetições x diferença de tensões para as misturas asfálticas deste trabalho Quadro 11 Ajuste de Modelo de Fadiga em função de Δσ (MPa) MISTURA k n R 2 CONCLUSÕES 01 381 2,608 0,998 02 432 3,002 0,990 03 667 3,682 0,990 O emprego de seixo rolado como agregado em misturas asfálticas, no estado do Pará, é uma realidade e representa prática comum em obras pavimentação. Esta pesquisa contribui para confirmar viabilidade técnica e econômica, do seixo rolado, em laboratório; conforme bom comportamento do CBUQ já verificado no campo, em segmentos rodoviários submetidos a tráfego intenso, tais como: BR-316/PA e BR-010/PA. Agradecimentos Os autores agradecem a todos que contribuíram para a realização da pesquisa, com destaque para: Rede Asfalto N/NE e COPPE/UFRJ. Agradecimentos especiais a Maia Melo Engenharia Ltda.
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