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Sumário Introdução ................................................................................................... 4 HISTÓRICO DA PAVIMENTAÇÃO ............................................................. 5 Pavimentação asfáltica ............................................................................... 7 3.1 Definições ............................................................................................. 8 3.2 Definição, Conceitos e Tipos de Pavimentos ....................................... 9 3.3 Camadas do Pavimento ..................................................................... 11 Tipos de Pavimentos ................................................................................ 11 4.1 PAVIMENTO RÍGIDO ASFÁLTICO .................................................... 12 4.2 PAVIMENTO FLEXÍVEIS EM CONCRETO ASFÁLTICO ................... 13 4.3 PAVIMENTOS SEMI-RÍGIDOS .......................................................... 14 Conceitos básicos do Pavimento .............................................................. 14 5.1 Camadas do Pavimento ..................................................................... 14 Regularização do subleito ........................................................................... 14 5.2 Reforço do Subleito ............................................................................ 14 5.3 Sub-base ............................................................................................ 15 5.4 Base ................................................................................................... 15 5.5 Revestimento ..................................................................................... 15 PROJETO DE PAVIMENTAÇÃO .............................................................. 16 Materiais de Pavimentação ....................................................................... 17 Tipos de Materiais: Naturais e Artificiais ......................................................... 17 7.1 Naturais .............................................................................................. 17 7.2 Artificiais ............................................................................................. 17 7.1 ASFALTO ........................................................................................... 18 Materiais asfálticos ................................................................................... 20 Química do Asfalto .................................................................................... 22 9.1 Cimentos Asfálticos de Petróleo (CAP) .............................................. 23 9.2 Preparação de misturas asfálticas ..................................................... 24 9.3 Misturas Empregadas......................................................................... 25 9.4 Moldagem com Compactador Marshall .............................................. 25 Parâmetros reológicos aplicados na pavimentação asfáltica ................ 27 Rigidez dos ligantes asfálticos ............................................................... 29 Referencias ..................................................................................................... 32 4 INTRODUÇÃO Prezado aluno! O Grupo Educacional FAVENI, esclarece que o material virtual é semelhante ao da sala de aula presencial. Em uma sala de aula, é raro – quase improvável - um aluno se levantar, interromper a exposição, dirigir-se ao professor e fazer uma pergunta, para que seja esclarecida uma dúvida sobre o tema tratado. O comum é que esse aluno faça a pergunta em voz alta para todos ouvirem e todos ouvirão a resposta. No espaço virtual, é a mesma coisa. Não hesite em perguntar, as perguntas poderão ser direcionadas ao protocolo de atendimento que serão respondidas em tempo hábil. Os cursos à distância exigem do aluno tempo e organização. No caso da nossa disciplina é preciso ter um horário destinado à leitura do texto base e à execução das avaliações propostas. A vantagem é que poderá reservar o dia da semana e a hora que lhe convier para isso. A organização é o quesito indispensável, porque há uma sequência a ser seguida e prazos definidos para as atividades. Bons estudos! 5 HISTÓRICO DA PAVIMENTAÇÃO Fonte: pavimentacaoterraplenagem Uma das mais antigas estradas pavimentadas implantadas não se destinou a veículos com rodas, mas a trenós para o transporte de cargas. Para a construção das pirâmides no Egito (2600-2400 a.C.), foram construídas vias com lajões justapostos em base com boa capacidade de suporte. O atrito era amenizado com umedecimento constante por meio de água, azeite ou musgo molhado Saunier 1936 apud BERNUCCI et al., 2008). Para Bernucci et al. (2008) percorrer a história da pavimentação nos remete à própria história da humanidade, passando pelo povoamento dos continentes, conquistas territoriais, intercâmbio comercial, cultural e religioso, urbanização e desenvolvimento. Como os pavimentos, a história também é construída em camadas e, frequentemente, as estradas formam um caminho para examinar o passado, daí serem uma das primeiras buscas dos arqueólogos nas explorações de civilizações antigas. Muitas das estradas da antiguidade, como a de Semíramis, transformaram-se na modernidade em estradas asfaltadas. Embora seja reconhecida a existência remota de sistemas de estradas em diversas partes do globo, construídas para fins religiosos (peregrinações) e comerciais, foi atribuída aos romanos a arte maior do planejamento e da construção viária. Visando, entre outros, objetivos militares de manutenção da ordem no vasto território do império, que se iniciou com Otaviano Augusto no ano 27 a.C., deslocando tropas de centros estratégicos para as 6 localidades mais longínquas, os romanos foram capazes de implantar um sistema robusto construído com elevado nível de critério técnico. Vale notar que o sistema viário romano já existia anteriormente à instalação do império, embora o mesmo tenha experimentado grande desenvolvimento a partir de então. Portanto, há mais de 2.000 anos os romanos já possuíam uma boa malha viária, contando ainda com um sistema de planejamento e manutenção. A mais extensa das estradas contínuas corria da Muralha de Antonino, na Escócia, a Jerusalém, cobrindo aproximadamente 5.000km (Hagen, 1955 citado por BERNUCCI et al., 2008). No que diz respeito à geometria, as vias romanas eram traçadas geralmente em linhas retas, embora fosse comum que seguissem o curso de um riacho ou rio, as vias não possuíam o traçado suave como é usual nos dias de hoje, sendo compostas por pequenos trechos retos que mudavam de direção com a forma do terreno, destaque-se que à época os veículos possuíam eixos fixos, sendo, portanto, as curvas incômodas para as manobras. Havia uma grande preocupação com aterros e drenagem. Em geral a fundação era formada por pedras grandes dispostas em linha de modo a proporcionar uma boa plataforma e ainda possibilitar a drenagem. A camada intermediária era então colocada sobre a fundação sólida (Margary, 1973 citado por BERNUCCI et al., 2008). De acordo com Margary (1973 apud BERNUCCI et al., 2008), é comum encontrar-se areia nessa camada intermediária, misturada ou não com pedregulho ou argila, a fim de adicionar resiliência ao pavimento. A última camada de superfície varia bastante; entretanto a maioria possui pedras nas bordas formando uma espécie de meio-fio. 7 PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA Fonte: globallocacoes.com.br A pavimentação é de importância muito significativa para a população, em um mundo globalizado é impossível não necessitar de vias pavimentadas para se locomover. Obviamente que em alguns locais nem sempre há uma pavimentação adequada, ou nem mesmo qualquerpavimentação, mas é importante que se entenda que um projeto de um pavimento bem estruturado e bem executado pode trazer benefícios não só para motoristas e sim para a população como um todo. Muitos acidentes acontecem devido a uma má pavimentação, muitas vezes os motoristas não têm como escapar das falhas das vias por elas estarem espalhadas pelo trajeto todo, mas isso não é uma questão impossível de se solucionar, conforme ROSSI (2017). Antes da execução de qualquer obra é necessário o seu planejamento para que o projeto seja realizado de forma adequada para o local. Mas além do projeto para construir o pavimento, após o uso a manutenção do pavimento é necessária para que se possa evitar uma grande obra para reconstruir o pavimento prematuramente. Os custos de uma obra de pavimentação podem ser bastante elevados, porém se forem feitos corretamente respeitando os parâmetros do projeto e etapas da construção haverá uma economia com futuros danos devido à má qualidade das vias, tanto para os usuários como para o governo, conforme ROSSI (2017). 8 Para Franco (2017) o dimensionamento adequado de um pavimento asfáltico visa assegurar que a repetição da passagem dos eixos dos veículos não irá causar o trincamento excessivo da camada de revestimento por fadiga dentro do período de vida do projeto e, também, garantir que as espessuras das camadas de sua estrutura, bem como suas características, sejam capazes de minimizar os efeitos do afundamento da trilha de roda (acúmulo excessivo de deformação permanente), considerando a compatibilidade entre as deformabilidades dos materiais. Os danos nas estruturas de pavimentos ocorrem principalmente devido à aplicação de cargas elevadas ou devido ao grande número de repetições de passagem das rodas dos veículos. As estruturas de muitos pavimentos asfálticos existentes não foram dimensionadas para tais solicitações, uma vez que o método de dimensionamento tradicional e empírico não contempla efeitos de fadiga, pois foi desenvolvido a partir de observações de danos de deformação no subleito. O efeito da carga repetida só foi introduzido a posteriori, por meio do carregamento de um eixo padrão. Métodos mais modernos vêm buscando uma melhor compreensão do fenômeno e já propõem análises também para o controle do trincamento, tais como MOTTA (1991) e o Guia de Projeto (Design Guide) da AASHTO (NCHRP, 2004 apud FRANCO, 2017). 3.1 Definições As definições de alguns termos empregados na pavimentação relativo ao asfalto, utilizadas neste trabalho, foram baseadas no Manual do Asfalto do Instituto de Asfalto (2002) e são apresentados a seguir (LUCENA, 2005): Asfalto: é um material cimentamente marrom escuro ou negro cujos constituintes principais são betumes que ocorrem na natureza ou se obtém do processamento do petróleo, o asfalto existe em diferentes proporções na maioria dos petróleos crus (LUCENA, 2005); Cimento Asfáltico: é o asfalto refinado que deve atender ás especificações de pavimentação, aplicação industrial e finalidades especiais, abrevia-se, frequentemente CAP ou AC em inglês, usualmente também se utiliza o termo “ligante” para se designar o cimento asfáltico (LUCENA, 2005); Asfalto Natural: é o asfalto existente na natureza que provém do petróleo através de processo natural de evaporação das frações voláveis, restando as frações asfálticas, os asfaltos naturais mais importantes são os de depósitos dos lagos de Trinidade e bermudez, são chamados asfaltos lacustres (LUCENA, 2005); 9 Asfalto de petróleo: é o asfalto refinado do petróleo crú (LUCENA, 2005); Betume: é a mistura de hidrocarbonetos de origem natural ou pirogênica ou de combinação de ambas: é, frequentemente, acompanhada de derivados não – metálicos que podem ser gasosos, líquidos, semi-sólidos e sólidos; são totalmente solúveis no bissulfeto de carbono (LUCENA, 2005); Agregado: é todo material mineral duro e inerte usado nas misturas como fragmento graduados. Inclui: areia, pedregulho, pedra britada e escória (LUCENA, 2005); Fìler mineral: é todo produto mineral muito fino que passa, pelo menos, 70 por cento na peneira de 75 um (b n º 200). O fileira produzido mais comum é o calcário pulverizado, embora outros possa ser usado: pó-de-pedra de outras rochas, cal hidratada, cimento Portland, cinza volante, e certos depósitos naturais de minerais finamente divididos (LUCENA, 2005); Pavimentos asfálticos: são pavimentos constituídos de uma camada superficial de agregado mineral revestido e cimentado por cimento asfáltico, sobre uma camada de apoio que pode ser: base asfáltica, pedra britada, escória e cascalho; ou sobre concreto de cimento Portland, tijolos e blocos (LUCENA, 2005). A mistura asfáltica, empregada na pavimentação, é geralmente constituída três componentes principais: o agregado; o filer e o cimento asfáltico 3.2 Definição, Conceitos e Tipos de Pavimentos Para Rossi (2017) pavimento é toda a estrutura existente nas ruas onde as pessoas se locomovem, seja de carro, ônibus, caminhão, bicicleta ou a pé. Em todos os locais de locomoção de pessoas e veículos haverá esforço vertical realizado pelo peso dos mesmos denominados de solicitação, em alguns locais mais e outros locais quase desprezíveis, e essa solicitação será repassada para o pavimento que por sua vez deverá resistir e redistribuir esses esforços para a sua estrutura independente de sua intensidade. Além do esforço vertical, o pavimento deverá resistir aos esforços horizontais existentes no pavimento. Para isso, um estudo do solo e das solicitações deverá ser realizado para que o projeto e a obra de pavimentação resista a todas essas solicitações e tenha uma maior durabilidade, afetando diretamente a sociedade, que 10 além de ter um maior conforto na sua locomoção também ficará sujeita a menos acidentes de transito devido à má qualidade das vias e seus pavimentos. Mais a seguir, serão apresentados alguns testes, ensaios e estudos necessários para um projeto de pavimentação que visam definir a necessidade de uma determinada área. Além de ensaios também serão apresentados os tipos de pavimentos existentes. Segundo definição do DNIT, em seu Manual de Pavimentação de 2006, pavimento de uma rodovia é a superestrutura constituída por um sistema de camadas de espessuras finitas, assentes sobre um semi-espaço considerado teoricamente como infinito – a infraestrutura ou terreno de fundação, a qual é designada de subleito. Para Campiteli (2014) o pavimento é a estrutura construída sobre a plataforma de terraplenagem e destinada, técnica e economicamente, a (NBR 7207/82): a) Resistir e distribuir ao subleito os esforços verticais produzidos pelo tráfego; b) Melhorar as condições de rolamento quanto à comodidade e segurança; c) Resistir aos esforços horizontais que nela atuam, tornando mais durável a superfície de rolamento. O pavimento é constituído por variadas camadas, de espessuras finitas, que se assenta sobre um semi-espaço infinito, denominado subleito, que é a infraestrutura do pavimento. Fonte: engenhariarodoviaria.com.br Sob o aspecto estrutural, destaca o autor acima, que o pavimento recebe os esforços provenientes do tráfego de veículos, e as variadas camadas absorvem essas tensões aplicadas, de forma que o subleito da rodovia receba uma parcela bem atenuada desses esforços. Sendo assim, as camadas do pavimento são diferentes entre si, pois, os esforços oriundos do tráfego são maiores nas camadas superiores 11 do pavimento, necessitando assim que essas camadas possuam uma maior resistência em comparação às camadas inferiores. 3.3 Camadas do Pavimento Fonte: ufjf.br/pavimentação A seção transversal típica de um pavimento, com todas as camadas possíveis, consta de uma camada de revestimento, superior, além das camadas de base, sub- base ereforço do subleito. Essas camadas são assentes por uma fundação, chamada subleito, conforme citamos anteriormente (CAMPITELI, 2014). TIPOS DE PAVIMENTOS O pavimento é uma estrutura não perene, composta por camadas sobrepostas de diferentes materiais compactados a partir do subleito do corpo estradal, adequada para atender estrutural e operacionalmente ao tráfego, de maneira durável e ao mínimo custo possível, considerados diferentes horizontes para serviços de manutenção preventiva, corretiva e de reabilitação, obrigatórios (BALBO, 2007). Pode-se classificar os pavimentos em 3 tipos: Rígido, Flexível e Semi-Rígido. 12 4.1 PAVIMENTO RÍGIDO ASFÁLTICO O pavimento rígido é constituído geralmente por uma única camada superior (laje) de betão de cimento, geralmente cimento Portland, que funciona simultaneamente como camada de desgaste e de base. A elevada resistência à flexão do betão de cimento faz com que o pavimento não sofra deformações acentuadas, mesmo quando sujeito a tráfego pesado e intenso e em solos que possua fraca capacidade de carga. É muito importante que esta camada garanta a impermeabilidade do pavimento, não só através da laje como das juntas que devem estar seladas com material adequado. Como a laje de betão absorve as cargas impostas ao pavimento e as degrada numa grande área, a tensão vertical máxima que atinge a fundação corresponde a uma pequena fração da pressão de contato pneu- pavimento (RODRIGUES, 2011). Segundo SENÇO (1997 apud OLIVEIRA, 2000), os precursores dos pavimentos rígidos foram os ingleses, que iniciaram a sua construção em 1865. O primeiro pavimento de concreto construído nos Estados Unidos data de 1891 e hoje funciona como calçadão para pedestres. Foi executado na cidade de Bellefontaine, no estado de Ohio. Em diversos países, principalmente Alemanha e Estados Unidos, o pavimento de concreto passou a ter preferência para auto-estradas, antes da Segunda Guerra Mundial. Nessa época a Alemanha tinha cerca de 92% de suas auto- estradas em concreto. No fim dos anos 50 os Estados Unidos tinham cerca de 89% das grandes vias urbanas e 79% das vias rurais pavimentadas com concreto. No Brasil, o primeiro pavimento de concreto foi executado no Caminho do Mar – ligação de São Paulo a Cubatão –, em 1925. Fonte: /docplayer.com.br 13 De acordo com o mesmo autor, cada camada do pavimento possui uma ou mais funções específicas, que devem proporcionar aso veículos as condições adequadas de suporte e rolamento em qualquer condição climática, as cargas aplicadas sobre a superfície do pavimento acabam por gerar determinado estado de tensões na estrutura, que muito dependerá do comportamento mecânico de cada uma das camadas e do conjunto destas. Recorde-se que as cargas são aplicadas por veículos e também pelo ambiente, geralmente de modo transitório: são, portanto, cíclicas ou repetitivas, o que não implica repetição constante de suas respectivas magnitudes 4.2 PAVIMENTO FLEXÍVEIS EM CONCRETO ASFÁLTICO Fonte: docplayer.com.br Como caracteriza (BALBO, 2017; SILVA, 2008 apud GODOI, 2018) o pavimento flexível é aquele que comporta um revestimento betuminoso, dos quais materiais utilizados é o asfalto que forma a camada de revestimento, um material granular que compõe a base e outro material granular ou o próprio solo que forma a sub-base. Relativamente ao pavimento rígido, o flexível apresenta uma maior e mais expressiva deformação elástica, que é chamado no meio rodoviário por deflexão. É o pavimento no qual há absorção de esforços ocorre entre as camadas de forma dividida, em que as tensões verticais localizam-se nas camadas inferiores concentradas próximas a aplicação da carga. 14 4.3 PAVIMENTOS SEMI-RÍGIDOS Para MEDINA (1997 apud MARQUES, 2018) consideram-se tradicionalmente duas categorias de pavimentos: - Pavimento flexível: constituído por um revestimento betuminoso sobre uma base granular ou de solo estabilizado granulo metricamente. - Pavimento rígido: construído por placas de concreto (raramente é armado) assentes sobre o solo de fundação ou Sub-base intermediária. Quando se tem uma base cimentada sob o revestimento betuminoso, o pavimento é dito semi-rígido. O pavimento reforçado de concreto asfáltico sobre placa de concreto é considerado como pavimento composto. “A mecânica dos pavimentos é uma disciplina da engenharia civil que estuda os pavimentos como sistemas em camadas e sujeitos a cargas dos veículos. Faz-se o cálculo de tensões, deformações e deslocamentos, conhecidos os parâmetros de deformabilidade, geralmente com a utilização de programas de computação. Verifica- se o número de aplicações de carga que leva o revestimento asfáltico ou a camada cimentada à ruptura por fadiga” (MARQUES, 2018). CONCEITOS BÁSICOS DO PAVIMENTO 5.1 Camadas do Pavimento Regularização do subleito Camada com espessura variável executada quando se faz necessária a preparação do subleito da estrada, para conformá-lo, transversal e longitudinalmente de acordo com o projeto geométrico (LEVY, 2009). 5.2 Reforço do Subleito Camada necessária quando o subleito possui baixa capacidade de carga, é também utilizada para redução da espessura da sub-base e possui espessura constante, acima do subleito é encontrada a Regularização, ou seja, uma faixa de 15 nivelamento do subleito, construída sobre ele com o objetivo de conformá-lo transversal e longitudinalmente (ANDRADE, 2019) 5.3 Sub-base Camada utilizada para reduzir a espessura da base, exerce as mesmas funções da base, sendo complementar a esta, tem como funções básicas resistir ás cargas transmitidas pela base, drenar infiltrações e controlar a ascensão capilar da água, quando for o caso (PASTANA, 2006). 5.4 Base Camada estruturalmente mais importante cuja função é resistir e distribuir os esforços provenientes da ação do tráfego, atenuando a transmissão destes esforços ás camadas subjacentes. Geralmente é constituída com materiais estabilizados granulometricamente ou quimicamente, através do uso de ativoscal, cimento, betume etc (PASTANA, 2006). 5.5 Revestimento PASTANA (2006) refere a camada destinada a resistir diretamente às ações do tráfego, a impermeabilizar o pavimento, a melhorar as condições de rolamento, no que se refere ao conforto e à segurança, e a transmitir, de forma atenuada, as ações do tráfego às camadas inferiores. Ao contrário da base, o revestimento não resiste aos esforços estáticos, isto é, um caminhão, por exemplo, não pode ficar parado peque deforma o asfalto. Sua função é resistir aos esforços horizontais, ou seja, de atrito, de rodagem. Destinado a melhorar a superfície de rolamento quanto as condições de conforto e segurança, além de resistir ao desgaste. 16 PROJETO DE PAVIMENTAÇÃO Fonte: amvali.org.br Segundo o DNER (1996 apud MARQUES, 2018) um Projeto de Engenharia tem sua versão final intitulada Projeto Executivo e visa, além de permitir a perfeita execução da obra, possibilitar a sua visualização, o acompanhamento de sua elaboração, seu exame e sua aceitação e o acompanhamento da obra. O processo comporta três etapas que se caracterizam pelo crescente grau de precisão: Estudos Preliminares; Anteprojeto e Projeto Executivo. Estudos Preliminares: Determinação preliminar, por meio de levantamento expedito de todas as condicionantes do projeto das linhas a serem mais detalhadamente estudadas com vistas à escolha do traçado. Tais estudos devem ser subsidiados pelas indicações de planos diretores, reconhecimentos, mapeamentos e outros elementos existentes. Anteprojeto: Definição de alternativas, em nível de precisão que permita a escolha do traçado a ser desenvolvido e a estimativa do custo das obras. Projeto Executivo: Compreende o detalhamento do Anteprojeto e perfeita representação da obraa ser executada, devendo definir todos os serviços a serem realizados devidamente vinculados às Especificações Gerais, complementares ou 17 Particulares, quantificados e orçados segundo a metodologia estabelecida para a determinação de custos unitários e contendo ainda o plano de execução da obra, listagem de equipamentos a serem alocados e materiais e mão-de-obra em correlação com os cronogramas físicos e financeiros. Na fase de anteprojeto são desenvolvidos, ordinariamente os Estudos de Tráfego, Estudos Geológicos, Estudos Topográficos, Estudos Hidrológicos e Estudos Geotécnicos MATERIAIS DE PAVIMENTAÇÃO TIPOS DE MATERIAIS: NATURAIS E ARTIFICIAIS 7.1 Naturais TERROSOS: Geologicamente, define-se solo como o material resultante da decomposição das rochas pela ação de agentes de intemperismo e no âmbito da engenharia rodoviária, considera-se solo todo tipo de material orgânico ou inorgânico, inconsolidado ou parcialmente cimentado, encontrado na superfície da terra (LADEIRA, 2010). 7.2 Artificiais PÉTREOS ou ROCHOSOS: Os materiais pétreos usados em pavimentação, normalmente conhecidos sob a denominação genérica de agregados, também podem ser naturais ou artificiais. Os primeiros, são aqueles utilizados como se encontram na natureza, como o pedregulho, os seixos rolados, etc., ao passo que os segundos compreendem os que necessitam uma transformação física e química do material natural para sua utilização, como as escórias e a argila expandida (LADEIRA, 2010). 18 7.1 ASFALTO Fonte: vadimratnikov A produção do asfalto constitui-se como um dos produtos finais da destilação do petróleo crú, no qual as frações mais leves gasolina, querosene, diesel são separadas do asfalto por vaporização, fracionamento e condensação (IBP,1999 apud NEGRÃO, 2006). Os asfaltos são constituídos por derivados do petróleo e podem ser obtidos de forma natural ou artificial, pode-se apontar de acordo com Figueiredo (2011) por processos físicos ou químicos, ocorre naturalmente em lagos de asfalto e em asfalto rochoso (uma mistura de areia, calcário e asfalto). Possui propriedades como consistência sólida ou semissólida, e cor escura. Sua principal aplicação é na construção civil, sendo utilizado como pavimento e impermeabilizante. Contudo, o primeiro registro sobre o uso do asfalto na construção foi em 615 a.C., durante o reinado do rei Nabopolassar, na Babilônia. O nome asfalto é proveniente do grego, demonstrando a sua familiaridade pelos gregos antigos. Já os romanos o utilizavam para selar seus banhos, reservatórios e aquedutos. Dessa forma, a autor supracitado salienta que na era dos descobrimentos os europeus encontraram depósitos naturais de asfalto na Venezuela. Segundo uma carta escrita em 1595, por Sir Walter Raleigh, relatava a presença de asfalto na Ilha 19 de Trindade, na costa da Venezuela. Na época ele utilizou o material para calafetar os seus navios. Hoje, o lago de piche localizado à sudoeste da ilha de Trindade é o maior depósito de asfalto do mundo e a primeira fonte de asfalto na América, seguido do Lago Bermudez. Faxina et al. (2004 apud TOMÉ; SOARES; LIMA, 2004), evidenciaram que no decorrer do preparo da mistura asfáltica e da sua vida de serviço, em virtude da diversidade de agressões às quais são submetidos, os cimentos asfálticos sofrem mudanças significativas na sua estrutura química. As consequências sobre suas propriedades físicas são diretas, fazendo com que apresentem um comportamento distinto daquele esperado do CAP puro produzido na refinaria. O envelhecimento, como é denominado este fenômeno de comprometimento progressivo das propriedades físicas do CAP, é um processo de natureza complexa. É influenciado, basicamente, pelas características químicas do próprio cimento asfáltico, pela forma com que o mesmo é manuseado e pelo nível de intemperização ao qual é submetido no pavimento. Ocorre durante a estocagem, a usinagem, o transporte, o manuseio, a aplicação e a vida em serviço, acarretando aumento da sua consistência. Conhecer as características físico-químicas do CAP, antes da usinagem, não é suficiente para prever as alterações do seu comportamento físico ao longo de sua vida de serviço. Para isto, é necessário realizar ensaios de caracterização química em cimentos asfálticos, submetidos a algum tipo de condicionamento, que simule o nível de agressividade ao qual estarão sujeitos. Com isso torna-se possível prever as alterações que os asfaltos sofrerão ao longo do tempo e, assim, selecionar o tipo adequado de material de forma mais racional (TOMÉ; SOARES; LIMA, 2004), O asfalto é produzido nas refinarias de petróleo através da destilação fracionada. Na destilação fracionada o óleo bruto é aquecido e suas frações separadas de acordo com o seu ponto de ebulição. As frações mais leves são produzidas primeiro e o material que permanece no fundo da torre de destilação são os produtos asfálticos. Na sua composição podem ser encontrados asfaltenos, resinas e hidrocarbonetos pesados. Dentre os hidrocarbonetos pesados os betumes, com fórmula C100, são os principais compostos. Com grande massa molecular são solúveis em bissulfeto de carbono, atuam como um componente aglutinador, e por terem baixo ponto de fusão e não reagirem quimicamente com outros insumos, podem 20 ser reaproveitados. São materiais com durabilidade versátil quando expostos à luz solar ou ao calor descomedido (FIGUEREDO, 2011). Os asfaltenos são classificados de acordo com a sua solubilidade em solventes orgânicos como no tolueno, sendo insolúvel em n-heptano e n-pentano. Não estão dissolvidos no petróleo e sim dispersos na sua forma coloidal, compreendendo o resíduo não destilável do petróleo. Sua fração química não é totalmente conhecida, porém basicamente são constituídos por grandes quantidades de anéis policíclicos aromáticos ou naftênico aromáticos, unidos entre si. Os asfaltenos representam a fração mais complexa do petróleo, com peso molecular > 1000, formado por muitos heteroátomos por molécula (S, O, N e metais). A figura abaixo representa uma possível molécula de asfalteno (FIGUEREDO, 2011, p. 1). De acordo com Figueredo (2011) as resinas também fazem parte da composição dos asfaltos, ao contrário dos asfaltenos estão facilmente solubilizadas no petróleo. Constituídas por cadeias de hidrogênio e carbono, peso molecular de 500 a 1000, apresentam características sólidas ou semissólidas, cor marrom e estrutura polar. Em pequena proporção, podem ser encontrados átomos de oxigênio, enxofre e nitrogênio. No Brasil, a ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) é responsável pela regulamentação da distribuição do asfalto. Além de determinar as especificações e as classificações do material, a agência autoriza empresas a misturar, aditiva, armazenar, comercializar, entre outras atividades. Uma alternativa para o asfalto derivado do petróleo é o asfalto verde um material inovador ainda não utilizado no Brasil. MATERIAIS ASFÁLTICOS Nos métodos mecanístico-empíricos de dimensionamento de pavimentos a caracterização dos materiais de pavimentação é feita de uma forma diferente daquelas utilizadas nos métodos tradicionais, Segundo MOTTA (1991 apud FRANCO, 2017) O asfalto é um dos mais antigos materiais utilizados pelo homem, no dizer de MARQUES (2018) na Mesopotâmia era usado como aglutinante em serviços de alvenaria e estradas e como impermeabilizante em reservatório de água e salas de banho,também são encontradas citações na bíblia a respeito do uso de material 21 betuminoso na arca de Noé (Gênesis 3,14). As primeiras aplicações de asfalto para fins de pavimentação foram feitas na França (1802), Estados Unidos (1838) e Inglaterra (1869). O emprego de asfalto derivado do petróleo iniciou-sea partir de 1909. Nos métodos empíricos os materiais são caracterizados por índices de qualidade associados indiretamente ao seu desempenho e condições de construção. Até a década de 70, os métodos de dimensionamento empregados no Brasil enfocavam, sobretudo, a capacidade de suporte dos pavimentos retratada através do CBR das camadas. Em virtude da apresentação de uma prematura deterioração da malha rodoviária, buscou-se compreender melhor o comportamento mecânico dos materiais de pavimentação, permitindo analisar o comportamento estrutural até então não explicável pelos métodos empíricos clássicos de dimensionamento (SOARES, 2007 apud por FRANCO, 2017). Para FRANCO (2017) na abordagem mecanicista é preciso estabelecer a relação tensão-deformação que ocorre nas camadas da estrutura em função do carregamento imposto pelo tráfego de veículos, que implica, na avaliação dos materiais por meio de ensaios que reproduzam o estado de tensões e as condições ambientais a que os pavimentos estarão sujeitos no campo. Nesses métodos, MASADA et al. (2004 apud FRANCO, 2017) comentam que os materiais de pavimentação são caracterizados em termos elásticos ou aproximadamente elásticos, de forma que as respostas do pavimento em termos de tensões, deformações e deslocamentos, devidos às cargas do tráfego ou aos fatores ambientais possam ser calculadas pelas teorias mecanicistas. É sabido que a maioria dos materiais que compõem a estrutura de um pavimento não possui um comportamento elástico puro, pois se observa o acúmulo de deformações permanentes com a aplicação de cargas. Parte da deformação que ocorre na estrutura é recuperável e chamada normalmente de resiliente, e parte não se recupera, sendo chamada de permanente ou plástica. 22 QUÍMICA DO ASFALTO Fonte;infoescola.com Quimicamente o asfalto é definido como um sistema coloidal constituído por micelas de asfaltenos dispersadas em um meio intermicelar oleoso, formado pela mistura de óleos aromáticos e saturados, chamado maltenos (BRULÉ, 1974 APUD NEGRÃO, 2006). Os cimentos asfálticos de petróleo-CAP- são constituídos de 90 a 95 % de hidrocarbonetos e 5 a 10% de heteroátomos (oxigênio, enxofre, nitrogênio e metais – vanádio, níquel e ferro) através de ligações covalentes, a composição química é bastante complexa, sendo dependente do cru e do processo de refino, sendo que o número de átomos de carbono por molécula varia de 20 a 120. O CAP pode ser considerado uma dispersão coloidal de asfaltenos em saturados e aromáticos, circundados por resinas que agem como agentes peptizantes (YEN., 1984 APUD NEGRÃO, 2006). 23 9.1 Cimentos Asfálticos de Petróleo (CAP) O cimento asfáltico é obtido especialmente para apresentar características adequadas para uso na construção de pavimentos, ele pode ser obtido por um dos três processos de destilação, sendo assim, receberá o nome de Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP), ou ser obtido em Jazidas Naturais recebendo o nome de Cimento Asfáltico Natural (CAN). Estes materiais são semissólidos à temperatura ambiente, e necessitam de aquecimento para terem consistência apropriada ao envolvimento de agregados, possuem características de flexibilidade, durabilidade, aglutinação, impermeabilização e elevada resistência à maioria dos ácidos, sais e álcalis (SOUZA, 1995 apud NEGRÃO, 2006). Os cimentos asfálticos de petróleo brasileiro são classificados pelo seu “grau de dureza” retratado no seu ensaio de penetração a 25 ºC. O Instituto Brasileiro de Petróleo e o departamento Nacional de Infraestrutura terrestre (DNIT) especificam 4 tipos de CAP pela sua penetração: CAP 30-45, CAP 50-70, CAP 85-100 e CAP 150- 200, observa –se que a época da realização dos ensaios laboratoriais da presente pesquisa a classificação brasileira era realizada por viscosidade, sendo os CAP 30- 45 e CAP 50-70 equivalentes aos CAP 20 e CAp 40 da antiga especificação (FIGUEREDO, 2011). Como descrito por Oda (2000 apud TOMÉ; SOARES; LIMA, 2004), a mistura de CAP’s e polímeros visando melhorar suas características não é recente. A primeira patente da combinação de uma borracha natural com CAP, utilizada como impermeabilizante, foi obtida por T. Hancock em 1823. Já a primeira patente de uma mistura de CAP com borracha natural para construção de pavimentos foi obtida por Castell em 1844. Aplicações práticas de CAP’s modificados se iniciaram em 1901, quando a Société du Pavage en Asphalt Caoutchoute foi estabelecida na França. O primeiro pavimento construído com CAP modificado por borracha ocorreu em 1902, em Cannes. Os CAP’s modificados antes da Segunda Guerra Mundial eram constituídos pela adição de borracha natural, que era o material disponível na época. O principal objetivo em se combinar CAP com polímeros é inibir a formação de trincas por fadiga e prolongar a vida útil dos pavimentos, além de aumentar a resistência ao acúmulo de deformação permanente a altas temperaturas e a formação de trincas por origem térmica quando submetidos a baixas temperaturas. O ramo rodoviário 24 brasileiro começou a cogitar a utilização de ligantes modificados por polímero a partir dos anos 90. 9.2 Preparação de misturas asfálticas Fonte: docplayer.com.br As misturas foram realizadas no Laboratório de Mecânica dos Pavimentos (LMP) da Universidade Federal do Ceará (UFC) utilizando-se um agitador mecânico de marca Fisaton acoplado a um termômetro de controle de temperatura e a uma manta aquecedora da mesma marca. O CAP puro foi aquecido numa estufa a 175°C, até que se encontrasse suficientemente fluido, sendo em seguida inserido por meio de um béquer de 2 litros na manta aquecedora a uma temperatura de 190°C com rotação de 500 rpm (rotações por minuto) por cerca de 10 minutos para ser homogeneizada. Em seguida, adicionou-se o terpolímero na proporção de 10g/minuto a uma rotação de 1500 rpm durante 1,5 hora, finalizando com a adição do catalisador 25 na proporção de 0,22% (percentagem em peso de CAP) por 60 minutos (NEGRÃO, 2006). 9.3 Misturas Empregadas Segundo o autor acima, após a elaboração dos projetos de mistura com os asfaltos modificados foram moldados, para cada um dos asfaltos convencionais (CAP 20 e CAP 40), oito corpos de prova e realizada a verificação do teor ótimo da mistura para a utilização dos ligantes convencionais.Os corpos de prova foram moldados segundo a metodologia Marshall com 75 golpes em cada face, em diferentes teores de ligantes. Buscou-se obter corpos-de-prova com as mesmas características de homogeneidade obtida na usina, ou seja, as diversas frações (brita 0, brita 1 e pó de pedra) eram quarteadas e em seguida misturadas de forma a se obter uma granulometria uniforme para todos corpos-de-prova. Métodos de Caracterização das Misturas 9.4 Moldagem com Compactador Marshall Conforme NEGRÃO (2006), foram moldados corpos-de-prova (cps) no compactador Marshall para realização de ensaios de módulo de resiliência e resistência à tração. Preparou-se um traço da mistura com aproximadamente 1.200g de material para confecção de cada corpo-de- prova. O ensaio consiste em aquecer o ligante e os agregados nas temperaturas pré- definidas em função da curva de viscosidade do ligante. Misturou-se o ligante aos agregados e fíler durante dois a três minutos na temperatura de usinagem e, em seguida, preencheu-se o molde para compactação com 75 golpes em cada uma das faces do corpo-de-prova. Após a mistura dos materiais, o recipiente com a mistura permaneceu em estufa, na temperatura de compactação, pelo período de duas horas para simular o efeito do condicionamento de curto prazo equivalente ao período de usinagem e transporte entre a usina e a pista. Em seguida, a amostra foi levada à compactação (NEGRÃO 2006), 26 b) Densidade Aparente (DNER-ME 117/94) Apóso desmolde do corpo-de-prova cilíndrico são efetuadas quatro medidas de altura e diâmetro para obter um valor médio das dimensões dos corpos de prova.A densidade aparente foi estimada, pesando-se os corpos-de-prova primeiramente secos e depois submersos, e empregando o peso específico da água (NEGRÃO , 2006). a) Densidade Máxima Medida (ASTM D 2041/00 - Método Rice) Dessa forma, o autor supracitado salienta que este método permite determinar a massa específica máxima medida e a densidade da mistura asfáltica não compactada a 25°C (Gmm). A massa específica máxima é usada no cálculo dos vazios com ar na mistura asfáltica compactada, no cálculo da quantidade de ligante absorvido pelo agregado, além de fornecer valores de projeto para compactação das misturas asfálticas. O ensaio consiste em colocar uma amostra de mistura asfáltica, em condição solta em um recipiente com água (25°C) até submersão total da amostra. Em seguida aplica-se gradualmente vácuo para reduzir a pressão residual dentro do recipiente para 30mmHg ou menos que será mantido por dois minutos sob agitação mecânica. Ao fim deste período de tempo, o vácuo é gradualmente eliminado. O volume da amostra da mistura é obtido complementando o nível do recipiente com água e pesando-se ao ar. A massa e a temperatura são anotadas. A partir das medidas de massa, calcula-se a massa específica ou densidade real da mistura corrigindo-a para a temperatura de 25°C. b) Resistência à Tração Indireta Estática (DNER-ME 138/94) O ensaio de compressão diametral ou tração indireta, descreve NEGRÃO (2006) conhecido internacionalmente como “ensaio brasileiro”, foi desenvolvido pelo Professor Fernando Luiz Lobo Carneiro para determinar a resistência à tração de corpos de prova de concreto através de carregamento estático. O corpo de prova cilíndrico é posicionado diametralmente em relação à direção da compressão, resultando numa tração, agindo perpendicularmente ao longo do plano diametral que 27 promove a ruptura do corpo nesta direção. É realizado numa prensa Marshall, sendo o corpo de prova apoiado ao longo de suas geratrizes por dois frisos de carga posicionados na parte superior e inferior do corpo-de-prova, devidamente padronizados PARÂMETROS REOLÓGICOS APLICADOS NA PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA Fonte: itegam-jetia.org Segundo Schweyer et al. (1983 apud KLINSKY, 2017), “depois de 200 anos ou mais do emprego de materiais asfálticos para fins de engenharia, ligados às suas propriedades reológicas, nós estamos, finalmente, começando a entender seu comportamento reológico. É nossa opinião que o mistério da deformação do ligante asfáltico (...) sob tensões não tem que ser diferente de nenhum outro material viscoelástico de engenharia. No dizer de Klinsky (2017) a principal diferença que se poderia esperar estaria apenas na magnitude das contribuições dos componentes viscoelásticos individuais em afetar a resposta de um material para qualquer tipo de tensão, de cisalhamento, de compressão ou outro, que seja aplicado. ” Esta representa uma visão bastante realista quanto à ampla compreensão do complexo comportamento reológico dos ligantes asfálticos. Não fossem fatores como a ampla faixa de temperaturas que um ligante asfáltico pode estar submetido ciclicamente ao longo da vida útil do pavimento 28 e a grande variabilidade da magnitude dos carregamentos dinâmicos aplicados sobre o pavimento, realizar a caracterização reológica dos materiais asfálticos seria tarefa consideravelmente menos complexa. Associada a estes fatores também está a própria sensibilidade das respostas mecânicas que o ligante asfáltico apresenta em relação a diferentes níveis de temperatura, de tensão, de taxa de deformação e de frequência de carregamento. Quando o ligante asfáltico é modificado, na maioria dos casos, a sensibilidade do seu comportamento mecânico a estes fatores é ainda maior, tornando ainda mais complexa a tarefa de caracterização de suas propriedades reológicas. O autor refere que associado aos efeitos de carregamento e de temperatura aos quais os ligantes asfálticos são submetidos nos meios de sua aplicação, o efeito de envelhecimento também funciona como um complicador adicional, uma vez que proporciona uma série de modificações químicas no material, que se reflete em alterações no seu comportamento reológico. O estudo destas variações tem sido avaliado, em laboratório, por meio de processos de envelhecimento acelerado do ligante asfáltico, sendo feitas comparações de propriedades reológicas do material virgem (ou não envelhecido) e do envelhecido. No caso específico do estudo da reologia dos ligantes asfálticos, propriedades como viscosidade, rigidez, elasticidade, deformação ao longo do tempo (fluência) e taxa de relaxação são de interesse maior. Por se tratar de material altamente termossensível, alguns parâmetros reológicos são empregados na caracterização destes materiais nas diversas faixas de temperatura que estão submetidos ao longo do processamento das misturas asfálticas (mistura em usina, lançamento e compactação) e da vida útil dos pavimentos (temperaturas baixas, intermediárias e elevadas). 29 RIGIDEZ DOS LIGANTES ASFÁLTICOS Fonte: asfaltodequalidade. Ao longo da vida útil do pavimento, os ligantes asfálticos podem estar submetidos a temperaturas baixas, médias e altas, em ciclos alternados, o que impõe modificações em suas propriedades reológicas. Além da temperatura, o efeito associado do carregamento torna ainda mais complexa a análise do comportamento reológico do material. A principal propriedade reológica associada ao desempenho do ligante asfáltico ao longo da vida útil do pavimento é a rigidez, quantificada de diversas formas dependendo da faixa de temperatura a que os pavimentos estão submetidos. 29 A rigidez dos ligantes asfálticos apresenta variação extremamente grande nas faixas de temperatura de aplicação e de serviço. Para temperaturas baixas, nas quais o material tem comportamento de sólido elástico, a rigidez se aproxima de 5 GPa, ao passo que nas faixas elevadas de temperaturas de serviço a rigidez se aproxima de 1 kPa. A rigidez do ligante asfáltico é muito mais suscetível à temperatura que outros materiais orgânicos para construção. Os ligantes asfálticos são aproximadamente 20 vezes mais suscetíveis à temperatura que muitos outros materiais poliméricos (ANDERSON et al., 1994 apud KLINSKY, 2017). Van der Poel (1954 apud KLINSKY, 2017) foi o pesquisador que primeiro aplicou o conceito de módulo de rigidez para ligantes asfálticos. O módulo de rigidez foi definido por Van der Poel, para tensão uniaxial, como: ( ) t,T t,T S ( ) ε ζ = (2.8) onde: S = módulo de rigidez, Pa; = tensão normal constante, aplicada durante um certo intervalo de tempo “t”, obtida pela razão entre a carga aplicada e a área da seção transversal à direção de aplicação da carga, Pa; = deformação específica verificada após o tempo “t” a uma temperatura “T”, obtida pela razão entre a deformação axial sofrida pelo material e seu comprimento inicial, m/m. 30 Os valores de rigidez obtidos FENGLER (2018) foram definidos para regime elongacional (solicitação uniaxial), quando o termo rigidez é empregado, deveria ser indicado se os valores se referem a carregamento elongacional ou cisalhante. A rigidez do ligante asfáltico é uma extensão do módulo de deformação longitudinal para os materiais viscoelásticos, sendo válida para a relação linear entre tensões e deformações. O módulo de rigidez definido por Van der Poel depende diretamente da temperatura e do tempo de aplicação do carregamento. Nos materiais asfálticos, se a tensão aplicada for mantida constante por um período de tempo qualquer, a deformação aumentará com o tempo e, consequentemente, ocorrerá uma redução do módulo de rigidez a uma velocidadeque depende da temperatura. A rigidez dos ligantes asfálticos pode ser determinada de duas formas: Métodos indiretos: fornecem uma estimativa do módulo de rigidez por meio de nomogramas, sem o emprego de ensaios de laboratório; Métodos diretos: o módulo de rigidez é obtido por meio de ensaios de laboratório realizados com carregamento estático ou dinâmico, como fluência, relaxação, ensaios de tração ou compressão, de cisalhamento e de flexão. Van der Poel (1954 apud KLINSKY, 2017) criou um nomograma para a estimativa do módulo de rigidez para uma variedade de ligantes asfálticos para uma extensa faixa de temperaturas e de tempos de aplicação de carga, baseado 30 em valores de ponto de amolecimento e de penetração. Neste nomograma, é possível entrar com tempo desde 1x10-6 s até 1x1010 s (317 anos) e temperaturas desde –158ºC até +170ºC. Foi desenvolvido para fornecer a rigidez na temperatura relativa ao ponto de amolecimento para qualquer tempo arbitrado de carregamento. A função matemática empregada por Van der Poel na confecção do seu nomograma nunca foram descritas em nenhuma publicação, porém, a teoria na qual estava baseado seu trabalho encontra-se detalhadamente descrita. Ele assumiu uma variação hiperbólica da rigidez com o tempo e a curva-mestre foi definida com base no índice de penetração (IP) (KLINSKY, 2017). Embora não discutido por Van der Poel (apud KLINSKY, 2017) em detalhes, é de se supor que a superposição tempo-temperatura tenha sido empregada na construção do nomograma, o que sugere a existência de alguma função para a descrição dos fatores de deslocamento horizontal (“shift factors”) em função da temperatura. Este método é limitado pelo próprio uso de medidas de consistência 31 empíricas. Além disso, em virtude da disponibilidade de métodos computacionais, não é mais necessário nem desejável recorrer a métodos gráficos, porém, não se dispõe da formulação matemática original empregada por Van der Poel. Posteriormente, McLeod (1976 apud KLINSKY, 2017) propôs uma modificação no método de Heukelom, sugerindo o emprego do “pen-vis number” (PVN) em vez do IP (pen/pen), empregado por Heukelom, na estimativa do módulo de rigidez. Durante a pesquisa SHRP, as várias versões do nomograma de Van derem Poel foram analisadas. Constatou-se que todas apresentam praticamente as mesmas limitações e que o emprego destes nomogramas deveria ser evitado caso sejam disponíveis métodos mais precisos e racionais de caracterização. Discrepâncias entre os valores de rigidez medidos no programa SHRP e aqueles estimados pelos nomogramas tendem a ser mais pronunciadas para temperaturas baixas e tempos de carregamento altos. (ANDERSON et al., 1994 apud KLINSKY, 2017). 32 REFERENCIAS ANDRADE, Mário Henrique Furtado. Pavimentação Asfáltica. Introdução a Pavimentação, Paraná, p. 1-64, 16 maio 2019. BALBO, Jorge Tadeu. Engenharia Civil. Pavimentação Asfáltica, São Paulo, p. 1- 150, 16 ago. 2007. BERNUCCI, Lied Bariani et al. Introdução a Pavimentação Asfáltica. Pavimentação Asfáltica, Rio de Janeiro, p. 1-40, 8 out. 2008. CAMPITELI, Marcus. Pavimentação Asfáltica. Engenharia Civil para Petrobrás, [S. l.], p. 1-243, 18 set. 2014. FRANCO, Filipe Augusto Cinque de Proença Franco. Pavimentação Asfáltica. 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