1 Tópicos laboratoriais e/ou exercícios (6. o Parte) Hélio Marcos Fernandes Viana Tema: Dosagem de misturas asfálticas (2. o Parte) Conteúdo da aula 10 Dosagem Marshall do concreto asfáltico usinado a quente (CAUQ) 11 Exigências que o concreto asfáltico usinado a quente deve atender
2 10 Dosagem Marshall do concreto asfáltico usinado a quente (CAUQ) Os procedimentos que serão apresentados para dosagem Marshall do CAUQ, também são semelhantes para outros tipos de misturas asfálticas a quente como: areia asfalto, mistura asfáltica para camada porosa de atrito, e etc. Os principais passos para dosagem de uma mistura asfáltica tipo concreto asfáltico usinado a quente (CAUQ) pelo procedimento Marshall são os seguintes: 1. o (primeiro) passo: Determinam-se os pesos específicos reais dos seguintes componentes da mistura asfáltica: a) Cimento asfáltico de petróleo (CAP); c) Agregado graúdo; c) Agregado miúdo; e d) Fíler ou material de enchimento. 2. o (segundo) passo: Determinação da faixa granulométrica dos agregados a serem utilizados na mistura asfáltica da dosagem Marshall. Sendo que as faixas granulométricas do agregado utilizado na mistura asfática devem está dentro das faixas granulométricas para agregado recomendadas pelos seguintes órgãos: DNIT (Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes); Diretoria de Engenharia da Aeronáutica; e Órgãos Estaduais de Estradas (DER-SP, DER-MG e etc.). A Tabela 10.1 ilustra as faixas granulométricas de agregados recomendados pelo DNIT para fabricação da mistura asfáltica tipo concreto asfáltico usinado a quente (CAUQ). OBS. As faixas granulométricas A e C do DNIT para fabricação de CAUQ, que são apresentadas na Tabela 10.1, obedecem a equação de Fuller-Talbolt para obtenção de uma curva granulométrica de um agregado com o máximo peso específico. A equação de Fuller-Talbolt foi apresentada em aula anterior. 3. o (terceiro) passo: Determinação das porcentagens dos agregados: graúdo, miúdo e fíler, em peso, de modo que a mistura dos agregados se enquadre na faixa granulométrica escolhida para mistura asfáltica, a qual pode ser a faixa A ou B ou C apresentadas na Tabela 10.1. OBS(s). a) Agregado graúdo é o agregado com partículas com diâmetros maiores que 2,00 mm ou retidos na peneira número 10; Por exemplo: brita (rocha triturada); b) Agregado miúdo é o agregado com partículas com diâmetro maiores que 0,075 mm e menores que 2,0 mm; Por exemplo: areias; c) Fíler (ou material de enchimento) é o material onde pelo menos 65% das partículas possuem diâmetro menor que 0,075 mm; Por exemplo: cimento Portland; e d) O processo de correção granulométrica empregado para obter uma mistura de agregados que se enquadre dentro de uma faixa granulométrica da Tabela 10.1 é o processo de Ruthfucs, que é apresentado em alguns livros de pavimentação.
3 Tabela 10.1 - Faixas granulométricas de agregados recomendados pelo DNIT para fabricação da mistura asfáltica tipo concreto asfáltico usinado a quente (CAUQ) Peneira de malha quadrada Número Abertura (mm) A B C Tolerância 2 pol. 50,8 100 -- -- -- 1 e 1/2 pol. 38,1 95-100 100 -- ± 7% 1 pol. 25,4 75-100 95-100 -- ± 7% 3/4 pol. 19,1 60-90 80-100 100 ± 7% 1/2 pol. 12,7 -- -- 80-100 ± 7% 3/8 pol. 9,5 35-65 45-80 70-90 ± 7% N. o 4 4,8 25-50 28-60 44-72 ± 5% N. o 10 2,0 20-40 20-45 22-50 ± 5% N. o 40 0,42 10-30 10-32 8-26 ± 5% N. o 80 0,18 5-20 8-20 4-16 ± 5% N. o 200 0,075 1-8 3-8 2-10 ± 2% Teor de asfalto em peso (%) 4,0 a 7,0 4,5 a 7,5 4,5 a 9,0 ± 0,3% Tipo de camada de revestimento asfáltico recomendada Espessura da camada (cm) Porcentagem em peso passando Camada de ligação Faixas granulométricas Camada de rolamento ou de ligação Camada de rolamento de 6,5 a 9,0 de 5,0 a 7,5 de 2,5 a 5,0 4. o (quarto) passo: Escolha das temperaturas de mistura e compactação da mistura asfáltica, com base nas curvas de viscosidade Saybolt-Furol versus temperatura do CAP (cimento asfáltico de petróleo); como visto em aula anterior. Sabe-se que: a) A temperatura ideal para aquecimento do CAP (cimento asfáltico de petróleo) para produção do CAUQ (concreto asfáltico usinado a quente) é obtida pela seguinte equação: T4 T3 TCAP T3 2 T CAP = temperatura ideal de aquecimento do CAP para produção de CAUQ ( o C); T 3 = temperatura do CAP, que corresponde a uma viscosidade Saybolt-Furol de 75 segundos ( o C); e T 4 = temperatura do CAP, que corresponde a uma viscosidade Saybolt-Furol de 95 segundos ( o C). (10.1)
4 b) A temperatura ideal para aquecimento do agregado a ser misturado com o CAP (cimento asfáltico de petróleo) para produção do CAUQ (concreto asfáltico usinado a quente) é obtida pela seguinte equação: T AQ T CAP 13 (10.2) TAQ = temperatura ideal para aquecimento do agregado a ser misturado com o CAP para produção de CAUQ (oc); e TCAP = temperatura ideal de aquecimento do CAP para produção de CAUQ ( o C); c) A temperatura ideal para compactação da mistura asfáltica para produção do CAUQ (concreto asfáltico usinado a quente) é obtida pela seguinte equação: (10.3) TC = temperatura ideal para compactação da mistura asfáltica para produção do CAUQ ( o C); T1 = temperatura do CAP, que corresponde a uma viscosidade Saybolt-Furol de 125 segundos ( o C); e T2 = temperatura do CAP, que corresponde a uma viscosidade Saybolt-Furol de 155 segundos ( o C). 5. o (quinto) passo: Definição dos teores de asfalto a serem empregados nas misturas com os agregados para moldagem dos corpos-de-prova da dosagem Marshall. Destaca-se que: T2 T1 TC T1 2 i) Inicialmente, deve-se calcular o teor provável de asfalto da mistura asfáltica (Tca), em relação ao peso total da mistura asfáltica, pelo método da superfície específica, que foi apresentado no tópico 9 da aula prática 5, apresentada anteriormente; ii) Na sequência, deve-se moldar 15 (quinze) corpos-de-prova da seguinte forma: 3 (três) corpos-de-prova com teor de asfalto (a) igual a Tca - 1%; 3 (três) corpos-de-prova com teor de asfalto (a) igual a Tca - 0,5%; 3 (três) corpos-de-prova com teor de asfalto (a) igual a Tca (%); 3 (três) corpos-de-prova com teor de asfalto (a) igual a Tca + 0,5%; e 3 (três) corpos-de-prova com teor de asfalto (a) igual a Tca + 1%.
5 6. o (sexto) passo: A partir dos teores de asfalto definidos para a moldagem dos corpos-de-prova; Então, ajusta-se o percentual, em peso, de cada agregado que irá compor a mistura asfáltica para produção dos corpos-de-prova; Assim sendo: i) Tem-se a fórmula para correção da porcentagem de agregado graúdo utilizado na mistura asfáltica para produção de um corpo-de-prova: * %Ag.(100 %a) %Ag 100 (10.4) %Ag* = porcentagem de agregado graúdo, em peso, que compõe o agregado mineral destinado ao ensaio de dosagem Marshall (%), que é obtida pelo processo de Ruthfucs; %Ag = porcentagem de agregado graúdo, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%); e a% = teor de asfalto, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%). ii) Tem-se a fórmula para correção da porcentagem de agregado miúdo utilizado na mistura asfáltica para produção de um corpo-de-prova: * %Am.(100 %a) %Am 100 (10.5) %Am* = porcentagem de agregado miúdo, em peso, que compõe o agregado mineral destinado ao ensaio de dosagem Marshall (%), que é obtida pelo processo de Ruthfucs; %Am = porcentagem de agregado miúdo, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%); e a% = teor de asfalto, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%). iii) Tem-se a fórmula para correção da porcentagem de fíler utilizado na mistura asfáltica para produção de um corpo-de-prova: * %F.(100 %a) %F 100 (10.6) %F* = porcentagem de fíler, em peso, que compõe o agregado mineral destinado ao ensaio de dosagem Marshall (%), que é obtida pelo processo de Ruthfucs; %F = porcentagem de fíler, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%); e a% = teor de asfalto, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%).
6 iv) O somatório das porcentagens, em peso, dos materiais que compõe o agregado mineral destinado ao ensaio de dosagem Marshall é igual a 100%. Assim sendo, tem-se que: % Ag * %Am * %F* 100% (10.7) %Ag* = porcentagem de agregado graúdo, em peso, que compõe o agregado mineral destinado ao ensaio de dosagem Marshall (%), que é obtida pelo processo de Ruthfucs; %Am* = porcentagem de agregado miúdo, em peso, que compõe o agregado mineral destinado ao ensaio de dosagem Marshall (%), que é obtida pelo processo de Ruthfucs; e %F* = porcentagem de fíler, em peso, que compõe o agregado mineral destinado ao ensaio de dosagem Marshall (%), que é obtida pelo processo de Ruthfucs. v) O somatório das porcentagens, em peso, dos materiais a serem empregados na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova é igual a 100%. Assim sendo, tem-se que: % a %Ag %Am %F 100% (10.8) a% = teor de asfalto, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%); %F = porcentagem de fíler, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%); %Am = porcentagem de agregado miúdo, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%); e %Ag = porcentagem de agregado graúdo, em peso, a ser empregado na mistura asfáltica para moldagem de um corpo-de-prova (%). 7. o (sétimo) passo: De posse de a%, Ag%, Am% e F% a serem usados na produção de um corpo-de-prova, calcula-se o peso específico máximo teórico da mistura asfáltica compactada (PMT), que é obtido conforme tópico 4 da nota de aula prática 5. Finalmente, de posse do volume do molde de compactação do corpo-deprova e de PMT; Então, determinam-se: i) O peso da mistura asfáltica para produção de um corpo-de-prova compactado; ii) O peso do agregado graúdo para produção de um corpo-de-prova; iii) O peso do agregado miúdo para produção de um corpo-de-prova; iv) O peso de fíler para produção de um corpo-de-prova; e v) O peso de asfalto para produção de um corpo-de-prova. A Figura 10.1 mostra a adição do ligante asfáltico aos agregados, durante a dosagem Marshall, para produção do corpo-de-prova.
7 Figura 10.1 - Adição do ligante asfáltico aos agregados, durante a dosagem Marshall, para produção do corpo-de-prova A Figura 10.2 ilustra a homogeneização da mistura ligante asfáltico e agregado, durante a dosagem Marshall, para produção de um corpo-de-prova. Figura 10.2 - Homogeneização da mistura ligante asfáltico e agregado, durante a dosagem Marshall, para produção de um corpo-de-prova
8 A Figura 10.3 mostra a colocação da mistura ligante asfáltico e agregado no molde de compactação, durante a dosagem Marshall, para produção de um corpode-prova. OBS. Pode-se observar, na Figura 10.3, que é utilizado um funil para facilitar a colocação da mistura asfáltica no molde de compactação para produção do corpode-prova. Figura 10.3 - Colocação da mistura ligante asfáltico e agregado no molde de compactação, durante a dosagem Marshall, para produção de um corpo-de-prova A Figura 10.4 ilustra a compactação da mistura asfáltica, durante a dosagem Marshall, para produção de um corpo-de-prova. A Figura 10.5 mostra a extração do corpo-de-prova do molde de compactação durante o ensaio Marshall.
9 Figura 10.4 - Compactação da mistura asfáltica, durante a dosagem Marshall, para produção de um corpo-de-prova Figura 10.5 - Extração do corpo-de-prova do molde de compactação durante o ensaio Marshall
10 Figura 10.6 ilustra a medição do corpo-de-prova com o paquímetro durante o ensaio de dosagem Marshall. Figura 10.6 - Medição do corpo-de-prova com o paquímetro durante o ensaio de dosagem Marshall 8. o (oitavo) passo: Após o resfriamento dos corpos-de-prova nos moldes, então, os corpos-de-prova são extraídos dos moldes, e são determinados para cada corpo-deprova o que se segue: a) As dimensões de cada corpo-de-prova (diâmetro e altura); b) O volume de cada corpo-de-prova; c) Peso seco (Ps) de cada corpo-de-prova; d) Peso submerso em água (Pssub) de cada corpo-de-prova; e e) O peso específico aparente (Gmb) de cada corpo-de-prova.
11 9. o (nono) passo: Calculam-se os parâmetros de dosagem para cada corpo-deprova, os quais são: a) O peso específico aparente da mistura asfáltica compactada (Gmb), ou do corpo-de-prova, que corresponde à seguinte equação: Ps Gmb.0,9971 Ps Pssub (10.9) Gmb = peso específico aparente da mistura asfáltica compactada (g/cm 3 ); Ps = peso do corpo-de-prova ao ar (g); e Pssub = peso do corpo-de-prova submerso (g). OBS. O valor do peso específico aparente da mistura asfáltica compactada (Gmb) corresponde a um valor médio obtido de 3 (três) corpos-de-prova com o mesmo teor de asfalto. b) O volume de vazios da amostra compactada (Vv), ou do corpo-de-prova, que corresponde a seguinte equação: PMT Gmb Vv.100% PMT (10.10) Vv = volume de vazios da mistura asfáltica compactada, ou do corpo-de-prova (%); PMT = peso específico máximo teórico da mistura asfáltica (g/cm 3 ); e Gmb = peso específico aparente da mistura asfáltica (g/cm 3 ). c) A porcentagem de volume de vazios com betume (ou asfalto) da mistura asfáltica compactada (ou no corpo-de-prova), que é obtida pela seguinte equação: Gmb.(%a) VCB Ga (10.11) VCB = porcentagem de volume de vazios com betume (ou asfalto) na mistura asfáltica compactada (ou no corpo-de-prova) (%); Gmb = peso específico aparente de uma mistura asfáltica compactada (ou do corpode-prova) (g/cm 3 ); Obtido pela eq.(10.9) mostrada anteriormente; %a = T CA = porcentagem ou teor de ligante asfáltico, que é expressa em relação ao peso total da mistura asfáltica (%); Por exemplo: no caso de um teor de asfalto de 5% na mistura utilize o número 5 na eq.(10.11); e Ga = peso específico real do ligante asfáltico (g/cm 3 ).
12 d) A porcentagem de volume de vazios do agregado mineral na mistura asfáltica compactada (ou no corpo-de-prova), que é obtida pela seguinte equação: VAM Vv VCB (10.12) VAM = porcentagem de volume de vazios do agregado mineral na mistura asfáltica compactada (ou no corpo-de-prova) (%); Vv = porcentagem de volume de vazios na mistura asfáltica compactada (ou corpode-prova) (%); e VCB = porcentagem de volume de vazios da mistura asfáltica compactada (ou no corpo-de-prova) com betume (ou asfalto) (%). e) A relação betume-vazios da mistura asfáltica compactada (ou do corpo-deprova), que é definida pela seguinte equação: RBV VCB VAM (10.13) RBV = relação betume-vazios da mistura asfáltica compactada (ou do corpo-deprova) (%); VCB = porcentagem de volume de vazios da mistura asfáltica compactada (ou no corpo-de-prova) com betume (ou asfalto) (%); e VAM = porcentagem de volume de vazios do agregado mineral na mistura asfáltica compactada (ou no corpo-de-prova) (%). OBS. As variáveis Gmb, Vv, VCB, VAM e RBV apresentadas anteriormente, são determinadas pelo valor médio obtido de 3 (três) corpos-de-prova com o mesmo teor de asfalto. 10. o (décimo) passo: Após as medidas volumétricas dos corpos-de-prova (Vv, VCB, VAM e RBV) pelas equações mostradas anteriormente; Então, antes de serem rompidos, os 15 (quinze) corpos-de-prova utilizados na dosagem Marshall são submersos em banho-maria a 60º C por 30 a 40 minutos..100 A Figura 10.7 ilustra os corpos-de-prova em banho-maria antes de serem rompidos no ensaio de dosagem Marshall.
13 Figura 10.7 - Corpos-de-prova em banho-maria antes de serem rompidos no ensaio de dosagem Marshall 11. o (décimo primeiro) passo: Os corpos-de-prova são retirados, um a um, do banho-maria e colocados dentro do molde de compressão Marshall, e então rompidos na pressa. Assim sendo, determina-se para cada corpo-de-prova: a) A estabilidade (E) em kgf; e b) A fluência (F) em mm. OBS(s). a) A estabilidade (E) é a carga máxima, em kgf, a qual o corpo-de-prova resiste antes da ruptura por compressão; e b) A fluência (F) é o deslocamento na vertical, em mm, apresentado pelo corpo-deprova, o qual corresponde à carga máxima que o corpo-de-prova resiste (ou a estabilidade do corpo-de-prova). A Figura 10.8 ilustra o molde de compressão de corpos-de-prova utilizado no ensaio de dosagem Marshall. A Figura 10.9 mostra a pressa de ensaios Marshall com um corpo-de-prova instalado no molde de compressão. Pode-se observar na pressa o anel dinamométrico com um relógio medidor de força, e também o extensômetro lateral para medir os deslocamentos verticais (ou fluência) do corpo-de-prova.
14 Figura 10.8 - Molde de compressão de corpos-de-prova utilizado no ensaio de dosagem Marshall Figura 10.9 - Pressa de ensaios Marshall com um corpo-de-prova instalado no molde de compressão
Estabilidade, E, (kgf) 15 12. o (décimo segundo) passo: Com todos os dados do ensaio são traçadas 6 (seis) curvas, e então determina-se o teor de asfalto a ser utilizado no projeto da camada asfáltica de rolamento. As curvas obtidas ao final da dosagem Marshall são as seguintes: a) Curva peso específico aparente versus teor de asfalto da dosagem Marshall (ou Gmb x Tca); b) Curva volume de vazios versus teor de asfalto da dosagem Marshall (ou Vv x Tca); c) Curva volume de vazios do agregado mineral versus teor de asfalto da dosagem Marshall (ou VAM x Tca); d) Curva relação betume vazios versus teor de asfalto da dosagem Marshall (ou RBV x Tca); e e) Curva estabilidade versus teor de asfalto da dosagem Marshall (ou E x Tca); e f) Curva fluência versus teor de asfalto da dosagem Marshall (ou F x Tca). A Figura 10.10 ilustra o exemplo de uma curva estabilidade versus teor de asfalto da dosagem Marshall (ou E x Tca), a qual foi obtida em um ensaio de dosagem Marshall. 1650 1600 1550 1500 1450 5 6 7 8 Teor de asfalto (%) Figura 10.10 - Exemplo de uma curva estabilidade versus teor de asfalto da dosagem Marshall (ou E x Tca), a qual foi obtida em um ensaio de dosagem Marshall
16 11 Exigências que o concreto asfáltico usinado a quente deve atender De acordo com Fabbri (2005), o concreto asfáltico usinado a quente a ser utilizado em obras rodoviárias de tráfego pesado deve apresentar um teor de betume (ou asfalto) (Tca), no qual concreto asfáltico produzido com este teor atenda os requisitos apresentados na Tabela 11.1. Tabela 11.1 - Propriedades do concreto asfáltico usinado a quente a ser utilizado em obras rodoviárias de tráfego pesado (Fonte: Fabbri, 2005) Símbolo Propriedades do CAUQ Limites Gmb Peso específico aparente da mistura compactada (g/cm 3 ) Máximo possível E Estabilidade (kgf) Valor mínimo = 750 kgf F Fluência (mm) 2,03 mm até 4,06 mm RBV Relação betume-vazios (%) 75% até 85% Vv Porcentagem de volume de vazios na mistura asfáltica compactada (%) 3% até 5% OBS. Para simular o tráfego pesado os corpos-de-prova no ensaio Marshall são compactados com 75 golpes por face do corpo-de-prova. De acordo com Fabbri (2005), o concreto asfáltico usinado a quente a ser utilizado em obras rodoviárias de tráfego leve deve apresentar um teor de betume (ou asfalto) (Tca), no qual o concreto asfáltico produzido com este teor atenda os requisitos apresentados na Tabela 11.2. Tabela 11.2 - Propriedades do concreto asfáltico usinado a quente a ser utilizado em obras rodoviárias de tráfego leve (Fonte: Fabbri, 2005) Símbolo Propriedades do CAUQ Limites Gmb Peso específico aparente da mistura compactada (g/cm 3 ) Máximo possível E Estabilidade (kgf) Valor mínimo = 500 kgf F Fluência (mm) 2,03 mm até 4,06 mm RBV Relação betume-vazios (%) 75% até 85% Vv Porcentagem de volume de vazios na mistura asfáltica compactada (%) 3% até 5%
17 OBS. Para simular o tráfego leve os corpos-de-prova no ensaio Marshall são compactados com 50 golpes por face do corpo-de-prova. Referências Bibliográficas BALBO, J. T. Pavimentação asfáltica - Materiais, projeto e restauração. São Paulo - SP: Oficina de Textos, 2007. 558p. (2. o Bibliografia principal) BERNUCCI, L. B.; MOTA, L. M. G.; CERRATTI, J. A. P.; SOARES, J. B. Pavimentação asfáltica - Formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro - RJ: Petrobrás, ou ABEDA (Associação Brasileira das Empresas Distribuidoras de Asfaltos, 2008. 501p. (1. o Bibliografia principal) FABBRI, G. T. P. Notas de aulas da disciplina Misturas Betuminosas - STT5830. São Carlos - SP: Escola de Engenharia de São Carlos - USP, 2005. FERREIRA, A. B. H. Novo Dicionário Aurélio da Língua Portuguesa. 2. ed. Rio de Janeiro - RJ: Editora Nova Fronteira, 1986. 1838p LIMA, D. C.; RÖHM S. A.; BUENO, B. S. Tópicos em estradas - apostila 205. Viçosa - MG: Universidade Federal de Viçosa, 1985. 116p.