ESTUDO DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DE MISTURAS ASFÁLTICAS UTILIZANDO LIGANTE MODIFICADO COM SBS E AGREGADOS SINTERIZADOS DE ARGILA CALCINADA PARA CONSTRUÇÃO DAS VIAS URBANAS DE MANAUS-AM (STUDY OF RESISTANCE TO DRIFT MIX ASPHALT USING LIGAND MODIFIED AND HOUSEHOLDS WITH SBS SINTERED CALCINATED CLAY OF-WAY FOR CONSTRUCTION OF URBAN MANAUS-AM) DAIANA GÓES CAVALCANTE, Graduanda Universidade Federal do Amazonas UFAM, Grupo de Geotecnia, Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado, 69077-000, Manaus, Amazonas, Brasil, Tel. / Fax: +55 92 3305-4649/4521, e-mail: daianagoes@ufam.edu.br. REGINALDO JOSÉ QUEIROZ DE SOUZA, Graduando Universidade Federal do Amazonas UFAM, Grupo de Geotecnia, Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado, 69077-000, Manaus, Amazonas, Brasil, Tel. / Fax: +55 92 3305-4649/4521, e-mail: reginaldo_jq_souza@hotmail.com. TAYANA MARA FREITAS DA CUNHA, Mestranda Universidade Federal do Amazonas UFAM, Grupo de Geotecnia, Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado, 69077-000, Manaus, Amazonas, Brasil, Tel. / Fax: +55 92 3305-4649/4521, e-mail: tayanamfc@yahoo.com. CONSUELO ALVES DA FROTA, Coordenadora do Grupo de Geotecnia (GEOTEC/UFAM) Universidade Federal do Amazonas UFAM, Grupo de Geotecnia, Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado, 69077-000, Manaus, Amazonas, Brasil, Tel. / Fax: +55 92 3305-4649/4521, e-mail: cafrota@yahoo.com.br. RESUMO A carência geológica de materiais pétreos na capital do estado do Amazonas (Manaus) ocasiona o emprego do seixo rolado, oriundo dos rios amazônicos, como agregado graúdo natural nas misturas asfálticas utilizadas na região. No entanto, o emprego deste material, suscita uma preocupação constante acerca: a) do impacto ambiental decorrente das atividades de extração e exploração desse material e b) da falência estrutural precoce decorrente principalmente do acúmulo excessivo de deformações permanentes na camada superficial dos pavimentos locais. Dessa forma, o presente estudo avalia a substituição do material aluvionar por agregados sinterizados de argila calcinada (ASAC) e do ligante comercializado pela refinaria local (CAP 50/70) pelo cimento asfáltico de petróleo modificado pelo copolímero de estireno e butadieno (SBS), objetivando contribuir com soluções a tais problemas. Para tanto, foram caracterizados os agregados ASAC proveniente de processo produtivo industrial (agregado graúdo), areia (agregado miúdo), cimento portland (filer), os ligantes (original e modificado pelo polímero SBS), e avaliadas as misturas asfálticas pela resistência à tração por compressão diametral (RT). Os resultados mostraram que a incorporação do polímero SBS na mistura não indicou ganhos na Resistência à Tração (RT), não obstante tenha apresentado superioridade nos resultados físicos do material asfáltico utilizado nos revestimentos regionais.
PALAVRAS-CHAVE: Misturas asfálticas, agregado sinterizado de argila calcinada, ligante modificado, resistência à tração por compressão diametral. ABSTRACT The lack of geological stone materials in the state capital of Amazonas (Manaus) leads to the use of pebbles, derived from Amazonian rivers, such as natural coarse aggregate in asphalt mixtures used in the region. However, the use of this material, poses a constant worry about: a) the environmental impact of extraction activities and exploitation of such material and b) the early structural failure mainly due to the excessive accumulation of permanent deformations in the surface layer of pavement locations. Thus, this study evaluates the replacement of the alluvial material for sintered aggregate of calcined clay (ASAC) and the ligand marketed by local refinery (PEC 50/70) by the asphalt cement oil modified by styrene-butadiene copolymer (SBS) aiming to provide solutions to such problems. To this end, the aggregates were characterized ASAC - from industrial production process (coarse aggregate), sand (fine aggregate), portland cement (filler), the ligands (original and modified by polymer SBS), asphalt mixtures and evaluated for resistance to traction by diametral compression (RT). The results showed that the incorporation of SBS polymer in the mixture did not show gains in Tensile Strength (RT), despite having shown superiority in the physical results of asphalt material used in the coating region. KEY WORDS: Asphalt mixtures, sintered aggregate of calcined clay, binder modified tensile strength by diametrical compression.
INTRODUÇÃO Trabalhos voltados à implantação de novas tecnologias vêm sendo aplicados à pavimentação asfáltica e são imprescindíveis para o município de Manaus, uma vez que, as misturas asfálticas regionais mostram prematuras patologias, notadamente as deformações permanentes. Dentre essas tecnologias tem-se o uso de modificadores das propriedades dos asfaltos os polímeros, como o copolímero de estireno e butadieno (SBS), cuja incorporação proporciona melhorias na coesão e adesão aos agregados, bem como na resistência à fadiga e na redução de deformações permanentes (Leite, 1999). Por outro lado, a capital do estado do Amazonas assenta-se sobre um subsolo formado por uma camada superficial argilosa espessa, ensejando o seu aproveitamento como material alternativo, por meio da obtenção de agregados sinterizados, em substituição ao material granular empregado na pavimentação local o seixo rolado. Estuda-se neste trabalho duas misturas asfálticas do tipo concreto asfáltico, que se diferenciam pelo cimento asfáltico de petróleo com e sem a incorporação do polímero SBS, quanto a resistência à tração (RT). MATERIAIS E MÉTODOS Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) e polímero SBS Utilizou-se nessa pesquisa dois ligantes: o cimento asfáltico de petróleo (CAP 50/70) fornecido pela Refinaria Isaac Sabbá (REMAN), cujo petróleo processado provem da mistura dos petróleos Campo Fazenda Alegre (ES) e Ceará-mar, bem como, esse ligante modificado com o polímero SBS. Os referidos materiais foram caracterizados no Laboratório de Desenvolvimento de Produtos da mencionada refinaria, segundo o solicitado pela Agência Nacional de Petróleo (ANP). Agregados e material de enchimento Na composição das misturas asfálticas foram empregados: o agregado sinterizado de argila calcinada (ASAC) como agregado graúdo, uma areia comercializada em Manaus (agregado miúdo) de granulometria fina, e o cimento portland (CP II Z 32) como material de enchimento (filer). O ASAC, oriundo da transformação de um solo argiloso em um material granular com resistência mecânica satisfatória, torna-se uma alternativa pela carência de material pétreo e abundância em solo argiloso na região. Os citados materiais foram caracterizados no Laboratório do Grupo de Geotecnia (GEOTEC) e de Mecânica dos Solos (LMS) da Universidade Federal do Amazonas de acordo com as especificações da American Society for Testing and Materials ASTM e do Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transporte DNIT. Preparo do Ligante modificado A incorporação do polímero SBS ao CAP 50/70 realizou-se no Laboratório do Grupo de Geotecnia (GEOTEC) da Universidade Federal do Amazonas (UFAM), cujo teor de polímero incidiu em 2%
p/p. Para tanto, usou-se um equipamento constituído de um agitador mecânico com hélice cisalhante, um controlador de temperatura, uma sonda, um becker de vidro com capacidade para 5 litros e manta aquecedora. Inicialmente, aqueceu-se o CAP original, transferido-o em seguida ao becker. Na seqüência adicionou-se lentamente o SBS na proporção de 2%, controlando-se durante duas horas as condições da mistura quanto à rotação de 300 rpm e aquecimento a 150±5 C (Figura 1). A mistura obtida denominou-se de CAPSBS. Figura 1. Incorporação do Polímero SBS. Caracterização dos Ligantes (CAP 50/70, CAPSBS) Caracterizaram-se os ligantes, CAP 50/70 e CAPSBS, de acordo com o requerido pela Agência Nacional de Petróleo (ANP), no Laboratório de Desenvolvimento de Produtos da Refinaria Isaac Sabba (REMAN), seguindo os procedimentos da American Society for Testing and Materials ASTM, por meio dos seguintes ensaios: Penetração, Ponto de Amolecimento, Solubilidade em Tricloroetileno, Ponto de Fulgor, Ductilidade a 25 C, Densidade Relativa a 25 C, Viscosidade Saybolt Furol e Viscosidade Brookfield (135 C, 150 C e 177 C), Envelhecimento por meio de Estufa de Efeito de Calor e Ar de Filme Fino Rotativo (RTFOT), bem como, Variação de Massa, Penetração Retida, Variação no Ponto de Amolecimento e Ductilidade, experimentos realizados após o envelhecimento na estufa RTFOT. Os resultados concernentes à caracterização desses ligantes, puro e modificado com 2 % de polímero SBS, são mostrados na Tabela 1.
Tabela 1. Características dos Ligantes utilizados. Características Método Unidade Resultados CAP 50/70 CAPSBS Penetração D5 0,1 mm 69 39,5 Ponto de amolecimento D36 grau C 49,7 52,5 Viscosidade Saybolt Furol a 135 C E 102 s 283 300,78 Viscosidade Brookfield a 135 C D4402 cp 539 870 Viscosidade Saybolt Furol a 150 C E 102 s 140,7 149,38 Viscosidade Brookfield a 150 C D4402 cp 279,8 401,36 Viscosidade Saybolt Furol a 177 C E 102 s 50,8 56,97 Viscosidade Brookfield a 177 C D4402 cp 96,8 158,64 Ductilidade D113 cm > 100 41,5 Ponto de fulgor D92 grau C 318 324 Solubilidade em tricloroetileno D2042 % massa 99,9 99,7 RTFOT variação em % massa D2872 % 0,04 0,075 RTFOT aumento do ponto de Amolecimento D36 grau C 7,1 9,3 RTFOT penetração retida D5 % 63 27,1 Densidade relativa a 20/4C D70 N/A 0,998 0,994 De acordo com a Tabela 1, os ensaios atinentes ao CAP 50/70, sem a adição do polímero SBS, apresentaram resultados conforme especificação brasileira regulamentada pela Agência Nacional de Petróleo (ANP). Concernente aos resultados do ligante modificado, CAPSBS, verificaram-se alteração nas propriedades físicas da mistura: a) aumento das viscosidades, Saybolt Furol e Brookfield, o que, segundo Bernucci et al. (2008), sugere melhorias à deformação permanente no revestimento, e, portanto, viabilidade na utilização desse material; b) aumento da consistência, verificada pela diminuição dos valores da penetração, antes e após o ensaio de envelhecimento em Estufa de Fino Filme Rotativo (RTFOT); c) o ensaio de Ponto de Amolecimento apresentou menores valores, sugerindo maior susceptibilidade do ligante à deformação permanente (Specht, 2004). Por outro lado os ensaios de Variação em % massa, Solubilidade em Tricloroetileno, Ponto de Fulgor e Densidade relativa a 25 C, não mostraram alterações significativas confrontando-se os dois ligantes (CAP e CAPSBS) ao prescrito pela especificação da ANP. Caracterização dos agregados e filer das misturas asfálticas Ao se compor uma mistura asfáltica realiza-se uma análise inicial dos materiais que constituirão esta mistura, visando atender as características técnicas, exigidas em normas específicas, e econômicas da região onde será implantado o projeto. No presente estudo os agregados foram caracterizados segundo: a) American Society for Testing and Materials ASTM pelos ensaios de densidade relativa (efetiva, real e aparente), absorção, massa específica (solta e compactada) e equivalente de areia; b) Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transporte DNIT pelos experimentos granulometria, abrasão Los Angeles, índice de forma, adesividade e determinação da perda de massa após fervura. Para o filer foram encontrados a composição granulométrica e massa específica real seguindo as normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. Visando o enquadramento da mistura na Faixa C camada de rolamento referente à Norma DNIT 031/2006-ES e a seleção dos agregados, realizou-se também o ensaio de granulometria por
peneiramento seguindo o procedimento descrito na Norma DNER-ME 083/98. Os resultados são evidenciados na Figura e Tabela 2. 100,00 % em Massa Passando 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 Abertura das Peneiras (mm) ASAC Areia Fíler Figura 2. Granulometria dos agregados e do filer Destaca-se ainda a importância da forma das partículas que influencia diretamente na trabalhabilidade e na resistência ao cisalhamento das misturas asfálticas, ou seja, em geral quanto maior a irregularidade dos agregados maior é o intertravamento destas partículas nas misturas compactadas. Seguindo a norma ABNT DNER-ME 6954/89 constatou-se que o ASAC em estudo é classificado como cúbico (Tabela 2), formato que pode a vir contribuir para um melhor desempenho nos revestimentos asfálticos. Neste ensaio utilizou-se um paquímetro para medir suas dimensoes (comprimento, largura e espessura) e assim obter sua classificação.
Tabela 2. Características dos agregados utilizados Ensaio Método ASAC Areia Abrasão Los Angeles (%) ME 035/98 57,11 - Adesividade ME 078 Positiva - Absorção (%) 17,18 - Densidade aparente 2,138 - C 127 e ME 194 Densidade real 2,658 0,519 Densidade efetiva 2,170 - Desgaste após fervura (%) ME 225/94 1,87 - Equivalente de areia (%) D 2419-92,8 Forma das partículas ABNT 6954/89 Cúbica - Massa específica solta (g/cm 3 ) 1,466 1,640 Massa específica compactada (g/cm 3 C 29 ) 1,530 1,814 Massa específica dos grãos (g/cm 3 ) ME 084/95-2,606 Definições das dosagens Na Tabela 3 explicita-se o percentual de cada material usado na dosagem e na Figura 3 apresenta-se a reunião desses materiais dada pela curva da mistura, e o seu enquadramento na Faixa C da norma DNIT 031/2006 ES. Com esse percentual adotou-se um valor em massa que represente a mistura do material, para então seguir ao preparo da dosagem. Tabela 3. Dosagem da mistura Discriminação Dosagem Agregado Graúdo 67,5% Agregado Miúdo 29,5% Fíler 3%
Figura 3. Granulometria da mistura. Ao término das etapas da granulometria e do ajuste do corpo de prova para a determinação da Resistência a Tração por compressão diametral, particularmente no que diz respeito à altura recomendada pela norma DNER ME 138/94 (estabelece que o corpo de prova deve possuir uma altura entre 3,5 e 6,5 cm e um diâmetro de 10 ± 0,2 cm), reuniu-se os agregados em um recipiente metálico onde foram homogeneizados até a temperatura de 170ºC, sendo ao mesmo tempo o ligante, com e sem SBS, aquecido até a temperatura de 160ºC. Ressalta-se, que o ligante modificado levou um pouco mais de tempo para atingir a citada temperatura. Após essa etapa a mistura foi submetida ao aquecimento em estufa segundo a temperatura de 160ºC por duas horas, objetivando o envelhecimento. Esta etapa procura simular o desgaste da mistura na usina e durante o transporte ao local de destino. Notou-se que ao término do período de envelhecimento o material precisa ser aquecido novamente até a temperatura de 160ºC, pois o mesmo apresenta uma temperatura inferior ao estipulado para a compactação. Em seguida compacta-se a mistura segundo os procedimentos Marshall, ficando em repouso por 24 horas até ser desmoldado. Encontrado o chamado teor ótimo confeccionavam-se os corpos de prova para a determinação da Resistência à Tração. RESULTADOS E DISCUSSÕES Serão denominadas como CAP e CAPSBS, as misturas com o ligante original e com o ligante modificado, respectivamente. Pelo fato do agregado graúdo (ASAC), participante das referidas misturas, apresentar alta absorção, o teor ótimo obtido mostrou-se bastante elevado para ambas as misturas pesquisadas, porém dentro do limite estabelecido pelo DNIT. Para se obter precisão, respeitante a escolha do teor ótimo, realizou-se o ensaio da Densidade Máxima Medida para todos os teores. A Figura 4 mostra os resultados do volume de vazios relativo ao teor de ligante, onde se observa que com o acréscimo da porcentagem do ligante asfáltico tem-se uma diminuição do volume de vazios da misturas estudadas. Na Figura 5 tem-se a variação dos vazios do agregado
mineral (VAM) correspondente ao teor de asfalto, onde nota-se que as misturas CAP e CAPSBS, apresentam o mesmo comportamento, isto é, com o aumento da quantidade de ligante diminui o volume de agregado mineral. Também pela Figura 6 observa-se um comportamento similar das misturas estudadas, neste caso o acréscimo do teor de ligante corresponde um maior valor da Relação Betume Vazios. Figura 4. Vv x Teor de Asfalto Figura 5. VAM x Teor de Asfalto
Figura 6. RBV x Teor de Asfalto Seguindo a Dosagem Marshall para misturas densas, concernentes a misturas do tipo concreto asfáltico, foram obtidos todos os parâmetros para os corpos de prova ensaiados. Particularmente com os resultados do VV e RBV foram determinados os teores de projeto de 8,99% e 8,93% para as misturas CAP e CAPSB respectivamente, como indicam as Figuras 7 e 8. Em geral, tais valores são considerados altos quando comparados aos resultados oriundos de misturas com agregados naturais, porém deve ser lembrado que os agregados graúdos partícipes dessas composições ASAC, possuem altos valores do parâmetro Absorção. Figura 7. Teor ótimo CAP
Figura 8. Teor ótimo CAPSBS Com os teores ótimos obtidos foram moldados quatro corpos de prova para cada valor de ligante de projeto (teor ótimo) visando a determinação da Resistência à Tração (RT) por compressão diametral à 25 0 C, utilizando uma Universal Technical Machine (UTM) pertencente ao Laboratório do Grupo de Geotecnia da UFAM. Com a força máxima obtida neste experimento calculava-se a aludida Resistência à Tração (RT), cujos valores constantes na Tabela 3 indicam resultados semelhantes para as duas misturas asfálticas estudadas. Tabela 3. Resistência à Tração (RT) Mistura Força Máxima (kn) RT (MPa) CAP 11,401 1,212 CAPSBS 12,051 1,270 Uma comparação dos valores de RT obtidos no presente estudo, com os alcançados por outros autores para misturas de concreto asfáltico com agregados de argila calcinada é mostrada na tabela 4, sendo indicados os tipos de ligantes utilizados nos respectivos trabalhos. Com a analogia feita, pôde-se verificar que os resultados obtidos de resistência à tração dos corpos-de-prova utilizando o concreto asfáltico com agregados sinterizados de argila calcinada, com os ligantes CAP 50/70 e CAPSBS, foram bastante satisfatórios, uma vez que, além de superarem o valor de RT estabelecido pela Norma DNIT ES-031/2004, apresentaram maiores resistência à tração em relação às encontradas pelos autores citados na tabela.
Tabela 4. Comparação dos Valores de RT Fonte RT (MPa) Observações Trabalho atual 1,21 Concreto Asfáltico fabricado com ASAC e CAP 50/70 Trabalho atual 1,27 Concreto Asfáltico fabricado com ASAC e CAP 50/70 + Polímero SBS FROTA (2007) 0,83 Concreto Asfáltico fabricado com ASAC produzido manualmente e CAP 50/70 SANTOS (2007) 0,88 Concreto Asfáltico fabricado com ASAC britado e CAP 50/70 SANTOS (2007) 0,84 Concreto Asfáltico fabricado com ASAC produzido manualmente e CAP 50/70 BATISTA (2004) 0,65 Concreto Asfáltico fabricado com ASAC e CAP-20 A Figura 9 apresenta gráficos característicos dos ensaios realizados, neste caso observando-se forças relativo a deformação. Nota-se que em ambos os casos, o padrão de deformações mostrou-se semelhante, apesar da mistura CAPSBS ter apresentado superioridade quanto a força máxima respeitante a mistura CAP com ligante convencional. CONCLUSÃO Figura 9. Força x Deformação Teor Ótimo Embora a incorporação do polímero SBS na mistura CAPSBS não tenha mostrado redução no valor do teor de projeto do ligante asfáltico, obteve ganhos na Resistência à Tração (RT), não obstante supere o valor de referência da Norma DNIT ES-031/2004, indicou superioridade nos resultados físicos quando adicionado ao material asfáltico (aumento da viscosidade, acréscimo da consistência e diminuição dos valores do Ponto de Amolecimento), sugerindo que o comportamento
mecânico deva ser analisado à luz de outros ensaios. Ressalta-se também a importância dos resultados considerando a utilização do material alternativo (ASAC) em uma região com sérios problemas de jazidas de material pétreo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BATISTA, F. G. S. Caracterização Física e Mecanística dos Agregados de ArgilaCalcinada Produzidos com Solos Finos da BR-163/PA. Dissertação de Mestrado - Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2004. BATISTA, F. G. S. LOPES, L. A. S. VIEIRA, A. Produção e caracterização de agregados artificiais de argila calcinada para uso em pavimentação rodoviária. XXIII Congresso de Pesquisa e Ensino em Transportes. 2004. BERNUCCI, L.B.; MOTTA, L.M.G.; CERATTI, J.A.P.; SOARES, J.B. Pavimentação Asfáltica: Formação Básica para Engenheiros, Petrobras-Asfaltos, Rio de Janeiro, 2008. C 127- Standard test method for density, relative density (specific gravity), and absorption of coarse aggregate, USA, 2004. C29 / C29M - 09 Standard Test Method for Bulk Density ("Unit Weight") and Voids in Aggregate. CABRAL, G. L. L. Metodologia de produção e emprego de agregados de argila calcinada para pavimentação. Dissertação (mestrado) Instituto Militar de Engenharia. Rio de Janeiro, 2005. D 113- Ductility of bituminous materials. USA, 1999. D 2042 - Solubility of asphalt materials in trichloroethylene. USA, 2001. D 2872 - Effect of heat and air on a moving film of asphalt (rolling thin-film oven test). USA, 1997. D 36 - Softening point of bitumen: ring-and-ball apparatus. USA, 1995. D 4402 - Viscosity determination of asphalt at elevated temperatures using a rotational viscometer. USA, 2002. D 5- Standard test method for penetration of bituminous materials. USA, 1997. D 92 - Flash and fire points by Cleveland open cup tester. USA, 2005. D2419-09 Standard Test Method for Sand Equivalent Value of Soils and Fine Aggregate. D70-091 Standard Test Method for Density of Semi-Solid Bituminous Materials (Pycnometer Method).
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