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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL FELIPE LINDBERGH PIPOLO DE ARAÚJO CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS E MISTURAS ASFÁLTICAS UTILIZADOS NA RECUPERAÇÃO DO SISTEMA DE PISTAS DE UMA BASE AÉREA NATAL-RN 2018 Felipe Lindbergh Pipolo de Araújo Caracterização dos materiais e misturas asfálticas utilizados na recuperação do sistema de pistas de uma base aérea Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade Artigo Científico, submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. Osvaldo de Freitas Neto Natal-RN 2018 Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede Araújo, Felipe Lindbergh Pípolo de. Caracterização dos materiais e misturas asfálticas utilizados na recuperação do sistema de pistas de uma base aérea / Felipe Lindbergh Pípolo de Araújo. - 2018. 98f.: il. Monografia (Graduação)-Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Civil, Natal, 2018. Orientador: Prof. Dr. Osvaldo de Freitas Neto. 1. Pavimento - Monografia. 2. Aeroportuário - Monografia. 3. Flexível - Monografia. 4. Manutenção - Monografia. I. Freitas Neto, Osvaldo de. II. Título. RN/UF/BCZM CDU 622.337 Felipe Lindbergh Pipolo de Araújo Caracterização dos materiais e misturas asfálticas utilizados na recuperação do sistema de pistas de uma base aérea Trabalho de conclusão de curso submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Aprovado em ____ de ________________ de 2018. ___________________________________________________ Prof. Dr. Osvaldo de Freitas Neto – Orientador ___________________________________________________ Prof. Dr. Olavo Francisco dos Santos Júnior – Examinador Interno ___________________________________________________ Eng. Rodrigo Dias Freitas – Examinador Externo AGRACEDIMENTOS Agradeço a todos que participaram de maneira direta e indireta para a concretização deste trabalho. Em especial, gostaria de agradecer: Ao meu orientador professor Dr. Osvaldo de Freitas Neto pelo apoio e motivação, pelos ensinamentos compartilhados, pela paciência e por me incentivar nesse trabalho. Aos colegas do curso de Engenharia Civil da UFRN, e a todos os professores dos quais tive a oportunidade de ser aluno. Aos meus amigos queridos que apenas pelo fato de estarem no momento certo, na hora certa, proporcionando palavras amigas, acabaram me ajudando nesta conquista. Aos meus pais e família pelo apoio e incentivo em todos os aspectos. RESUMO A globalização tem causado, ao longo dos anos, um aumento considerável no volume do tráfego aéreo no Brasil, com uma maior frequência de voos e aeronaves cada vez mais pesadas. Isto resulta numa maior solicitação dos pavimentos aeroportuários, causando maior desgaste e, consequentemente, uma necessidade de realizar inspeções e manutenções mais frequentes. Um dos fatores mais importantes a ser observado na situação de um pavimento é a condição funcional de sua superfície, que dentre outros fatores, está relacionada à adequada escolha dos materiais e verificação dos parâmetros finais da mistura asfáltica. Dessa forma, a caracterização destes materiais e misturas é crucial para que o resultado final apresente o desempenho esperado, assim como uma vida útil prolongada. Este trabalho trata da caracterização dos materiais e misturas asfálticas utilizados na recuperação do sistema de pistas de uma base aérea. Palavras-chave: Pavimento; asfalto; aeroporto; recuperação; manutenção. ABSTRACT Globalization has caused, over the years, a considerable increase in the volume of air traffic in Brazil, with a higher frequency of flights and aircraft becoming heavier. This results in a higher demand for airport pavements, causing greater wear and, consequently, a need for more frequent inspections and maintenance. One of the most important factors to be observed in the situation of a pavement is its functional condition of its surface, which among other factors, is related to the proper choice of materials and verification of the final parameters of the asphalt mixture, so that the characterization of these materials and mixtures is crucial for the end result to deliver the expected performance as well as an extended shelf life. This work deals with the characterization of the materials and asphalt mixtures used in the recovery of the runway system of an air base. Keywords: Pavement; asphalt; airport; recovery; maintenance. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Estrutura típica de um pavimento flexível ...................................................... 18 Figura 2 – Tipos de fresagem quanto à rugosidade, onde: a) fresagem padrão, b) fresagem fina e c) microfresagem ................................................................................................ 24 Figura 3 – Acidentes e fatalidades de aeronaves por fases de voo no período 2007 – 2016 .. 27 Figura 4 – Revestimento com grooving antes e após o desemborrachamento ..................... 31 Figura 5 – Localização dos fornecedores de Agregados Minerais ..................................... 36 Figura 6 – Frente de lavra da Pedreira Campel ............................................................... 36 Figura 7 – Instalações da Pedreira Campel ..................................................................... 37 Figura 8 – Granulometria dos agregados ........................................................................ 39 Figura 9 – Adesividade dos agregados graúdos .............................................................. 39 Figura 10 – Equipamento de Abrasão Los Angeles ......................................................... 40 Figura 11 – Aparelhagem utilizada no ensaio de durabilidade .......................................... 41 Figura 12 – Ensaio de equivalente de areia no pó de pedra.............................................. 42 Figura 13 – Ensaio de verificação do ponto de amolecimento do CAP .............................. 43 Figura 14 – Ensaio de verificação do ponto de fulgor ...................................................... 44 Figura 15 – Penetrômetro utilizado no ensaio de penetração ............................................ 45 Figura 16 – Viscosímetro Saybolt-Furol ........................................................................ 46 Figura 17 – Viscosímetro Saybolt-Furol ........................................................................ 47 Figura 18 – Compactador giratório Superpave ............................................................... 51 Figura 19 – Ensaio de desgaste Cântabro no equipamento “Los Angeles” ......................... 55 Figura 20 – Equipamento de carga repetida.................................................................... 56 Figura 21 – Estado de tensões gerado no ensaio de tração por compressão diametral .......... 57 Figura 22 – Centrífuga Rotarex .................................................................................... 58 Figura 23 – Aparelhagem do ensaio Rice .......................................................................59 Figura 24 – Fresadora .................................................................................................. 59 Figura 25 – Bits de fresagem modelo W6/20X ............................................................... 60 Figura 26 – Tanque espargidor hidrostático modelo LDA 6000 D.A-H ............................. 61 Figura 27 – Vibroacabadora modelo Terex VDA 621 ..................................................... 62 Figura 28 – Rolos compactadores, onde a) Rolo pneumático e b) Rolo liso duplo tandem ... 63 Figura 29 – Corpos de prova moldados e identificados .................................................... 79 Figura 30 – Corpo de prova após ensaio de desgaste Cântabro ......................................... 82 Figura 31 – Envelhecimento inicial da mistura por 2 horas em estufa ............................... 84 LISTA DE QUADROS Quadro 1 – Comparativo entre os resultados da pesquisa em questão e os obtidos na literatura para os métodos Marshall e Superpave, para a faixa C do DNIT e para ligantes asfálticos similares. ................................................................................................................................... 22 Quadro 2 – Características das pistas e dos veículos: rodovias e aeródromos. ....................... 26 Quadro 3 – Parâmetros do PCI do pavimento. ........................................................................ 32 Quadro 4 – Faixas granulométricas DIRENG......................................................................... 48 Quadro 5 – Especificações para parâmetros da mistura asfáltica DIRENG. .......................... 50 Quadro 6– Especificações para parâmetros da mistura asfáltica DIRENG. ........................... 50 Quadro 7 – Pontos de controle Superpave de acordo com DMT. ........................................... 52 Quadro 8 – Número de giros especificados na norma de dosagem Superpave....................... 53 Quadro 9 – Resultados dos ensaios de abrasão “Los Angeles”. ............................................. 66 Quadro 10 – Resultados dos ensaios de índice de forma. ....................................................... 67 Quadro 11 – Resultados dos ensaios de equivalente de areia. ................................................ 67 Quadro 12 – Resultados dos ensaios de granulometria do filler. ............................................ 68 Quadro 13 – Resultados dos ensaios de durabilidade. ............................................................ 68 Quadro 14 – Resultados dos ensaios no CAP. ........................................................................ 73 Quadro 15 – Resultados dos ensaios na emulsão asfáltica...................................................... 77 Quadro 16 – Traço da estrutura pétrea da mistura. ................................................................. 78 Quadro 17 – Composição da mistura da estrutura pétrea para a Faixa 2 da DIRENG (2002). ...................................................................................................................................... 78 Quadro 18 – Resultados médios para os 3 corpos de prova Marshall com teor de projeto. ... 81 Quadro 19 – Composição da mistura pétrea e pontos de controle da dosagem Superpave. .. 83 Quadro 20 – Resultados médios para os 3 corpos de prova Superpave com teor de projeto. . 86 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 – Faixa granulométrica 2 DIRENG ................................................................. 49 Gráfico 2 – Curvas granulométricas das britas 19,0mm ................................................... 65 Gráfico 3 – Curvas granulométricas das britas 12,5mm ................................................... 65 Gráfico 4 – Curvas granulométricas do pó de pedra ........................................................ 66 Gráfico 5 – Curva granulométrica das britas 19,0mm ...................................................... 69 Gráfico 6 – Curva granulométrica das britas 12,5mm ..................................................... 70 Gráfico 7 – Curva granulométrica do pó de pedra ........................................................... 70 Gráfico 8 – Curva granulométrica da cal hidratada.......................................................... 71 Gráfico 9 – Resultados dos ensaios de equivalente de areia .............................................. 72 Gráfico 10 – Curva de viscosidade Saybolt-Furol do CAP 50/70 ...................................... 74 Gráfico 11 – Curva de viscosidade Brookfield do CAP 50/70 .......................................... 74 Gráfico 12 – Resultados dos ensaios de viscosidade Saybolt-Furol ................................... 75 Gráfico 13 – Resultados dos ensaios de penetração ......................................................... 76 Gráfico 14 – Resultados dos ensaios de ponto de fulgor .................................................. 76 Gráfico 15 – Resultados dos ensaios de ponto de amolecimento ....................................... 77 Gráfico 16 – Composição dos agregados ....................................................................... 79 Gráfico 17 – Gráfico do RBV e Volume de Vazios versus Teor de CAP ........................... 80 Gráfico 18 – Curva granulométrica do traço estudado e pontos de controle ....................... 83 Gráfico 19 – Volume de Vazios x teor de CAP ............................................................... 85 Gráfico 20 – Resultado dos ensaios de extração de betume .............................................. 87 Gráfico 21 – Resultado dos ensaios de granulometria nas misturas após extração de betume .................................................................................................................................. 88 Gráfico 22 – Estabilidade Marshall dos corpos de prova moldados em campo ................... 89 Gráfico 23 – Fluência dos corpos de prova moldados em campo ...................................... 89 Gráfico 24 – Volume de vazios dos corpos de prova moldados em campo ......................... 90 Gráfico 25 – Resultado das verificações do grau de compactação ..................................... 91 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Parâmetros volumétricos e mecânicos para os 5 corpos de prova Marshall ........ 80 Tabela 2 – Parâmetros dos corpos de prova da dosagem Superpave .................................. 85 Tabela 3 – Resultado dos ensaios de averiguação do comportamento mecânico dos corpos de prova Superpave .......................................................................................................... 86 LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS DNIT – Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes CCP – Concreto de Cimento Portland PMF – Pré-Misturado à Frio TSD – Tratamentos Superficiais Duplos TST – Tratamentos Superficiais Triplos CBUQ – Concreto Betuminoso Usinados a Quente SHRP – Strategic Highway Research Program CGS – Compactador Giratório Superpave MR – Módulo de resiliência RT – Resistência à tração estática por compressão diametral DIRENG – Diretoria de Engenharia da Aeronáutica) M&R – Manutenção e Restauração PCI – Pavement Condition Index FWC – Falling Weight Deflectometer GPR – Ground Penetrating Radar DCP – Dynamic Cone Penetrometer UFCG – Universidade Federal de Campina Grande CAP – Cimento Asfáltico de Petróleo ADP – Asfalto Diluído de Petróleo EAP – Emulsão Asfáltica de Petróleo MS – Massa seca MSsub – Submersa em água Gmb – Massa específica aparente DMT – massa específica teórica Vv – volume de vazios VCB – vazios com betume VAM – Vazios do agregado mineral RBV – Relação betume/vazios ZR – Zona de restrição SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 14 1.1JUSTIFICATIVA ............................................................................................... 15 1.2 OBJETIVOS ...................................................................................................... 15 1.1.1 Objetivo geral ............................................................................................. 15 1.1.2 Objetivos específicos ................................................................................... 15 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................................... 16 2.1 PAVIMENTOS – CONCEITOS BÁSICOS ........................................................... 16 2.1.1 Tipos de pavimentos .................................................................................... 16 2.1.2 Pavimentos flexíveis .................................................................................... 17 2.1.3 Patologias em pavimentos flexíveis .............................................................. 18 2.2 CONCRETO BETUMINOSO USINADOS A QUENTE – CBUQ ........................... 20 2.2.1 Dosagem do CBUQ ..................................................................................... 21 2.2.2 Procedimentos executivos do CBUQ ............................................................ 23 2.3 PAVIMENTOS AEROPORTUÁRIOS ................................................................. 26 2.3.1 Manutenção de pavimentos aeroportuários ................................................. 28 2.4 AVALIAÇÃO DE PAVIMENTOS ...................................................................... 29 2.4.1 Avaliação funcional de pavimentos .............................................................. 30 2.4.2 Avaliação estrutural de pavimentos ............................................................. 32 3. MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................ 34 3.1 MATERIAIS ...................................................................................................... 34 3.1.1 Agregados minerais ..................................................................................... 34 3.1.2 Ligantes asfálticos ....................................................................................... 37 3.2 MÉTODOS ........................................................................................................ 38 3.2.1 Ensaios em agregados minerais ................................................................... 38 3.2.2 ENSAIOS EM ASFALTO ................................................................................ 42 3.2.3 Métodos de dosagem ................................................................................... 47 3.2.4 Ensaios em misturas asfálticas ..................................................................... 53 3.2.5 Procedimentos executivos e controle de qualidade do pavimento .................. 59 4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...................................................... 64 4.1 CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS .......................................................... 64 4.2 CARACTERIZAÇÃO DOS LIGANTES BETUMINOSOS .................................... 72 4.3 RESULTADOS DOS MÉTODOS DE DOSAGEM ................................................ 78 4.3.1 Metodologia Marshall ................................................................................. 78 4.3.2 Metodologia Superpave ............................................................................... 82 4.4 RESULTADOS DO CONTROLE DE QUALIDADE DA EXECUÇÃO .................. 87 5. CONCLUSÕES ............................................................................................................. 92 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 94 14 1. INTRODUÇÃO Os pavimentos vêm facilitando o transporte de pessoas e mercadorias desde os primórdios da civilização, influenciando diretamente no desenvolvimento da economia, cultura e na difusão do conhecimento. Hoje em dia, os pavimentos são amplamente utilizados no transporte rodoviário e no aeroviário, proporcionando aos usuários superfícies com boas condições de rolamento, conforto e segurança. Entretanto, devido aos constantes esforços atuantes do tráfego de veículos e do intemperismo, os pavimentos possuem uma vida útil limitada, necessitando de recorrentes manutenções. O crescimento populacional e a globalização têm refletido de forma direta na demanda dos pavimentos brasileiros, tanto rodoviários quanto aeroportuários. A exigência de uma maior frequência e eficácia dos reparos e melhorias nas rodovias é evidente devido ao crescimento da frota de veículos terrestres, assim como nos pavimentos aeroportuários em razão do aumento do fluxo de passageiros e cargas. Os pavimentos aeroportuários se diferem dos rodoviários principalmente pela magnitude das cargas aplicadas, visto que as aeronaves possuem dimensões e peso consideravelmente superiores aos veículos convencionais, o que implica na necessidade de uma maior capacidade resistente. Além do aspecto estrutural, também é eminente uma maior preocupação quanto aos aspectos funcionais da superfície do pavimento. Revestimentos asfálticos de pistas de pouso e decolagem devem apresentar rugosidade adequada de forma a garantir aderência e uma boa drenabilidade, garantindo assim eficiência no processo de frenagem das aeronaves e evitando um possível deslizamento. Os aspectos funcionais dos revestimentos asfálticos estão diretamente relacionados, dentre outros fatores, com a qualidade e congruência dos materiais selecionados, assim como um adequado processo de dosagem, mistura e execução. Como o resultado final de uma camada de rolamento se deve à uma combinação desses fatores, é de suma importância que haja uma adequada caracterização dos materiais e das misturas asfálticas produzidas, de modo a garantir a qualidade e bom desempenho do revestimento asfáltico. Este trabalho trata a caracterização dos materiais e misturas asfálticas utilizados na obra de recuperação do sistema de pista e pátios de uma base aérea. O pavimento da base aérea apresentava sinais de que estava chegando no fim de sua vida útil, como trincas nos pavimentos rígidos e desgaste do pavimento flexível. Diante disso, foi necessária sua restauração a fim de recuperar o seu bom desempenho e garantir a segurança e conforto das aeronaves e usuários. 15 1.1 JUSTIFICATIVA A obra abordada neste trabalho, assim como outras obras de construção civil, utiliza materiais que foram obtidos da natureza, onde apresentam condições heterogêneas de disposição antes de sua extração. Este trabalho se justifica na necessidade da caracterização e do controle tecnológico destes materiais e das misturas asfálticas com eles produzidas. 1.2 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo geral Caracterizar e analisar as propriedades físicas e mecânicas dos agregados graúdos, miúdos, dos aglomerantes e das misturas asfálticas utilizados na obra, assim como sua metodologia de dosagem, a fim de garantir seu enquadramento nos parâmetros indicados por norma, e consequentemente, segurança, conforto e qualidade quanto ao seu desempenho mecânico. 1.1.2 Objetivos específicos • Caracterização dos agregados miúdos e graúdos através de ensaios físicos e mecânicos, visando o selecionamento do agregado de melhor desempenho para compor a mistura asfáltica; • Caracterização dos ligantes asfálticos a fim de garantir que suas propriedades físicas e químicas são adequadas para utilização nas misturas asfálticas e se enquadram conforme as especificações da norma; • Avaliação dos métodos de dosagem (Metodologias de Dosagem Marshall e Superpave) utilizados para composição das misturas asfálticas; • Análise da resistência do pavimento flexívelatravés de ensaios de estabilidade Marshall, compressão diametral e módulo de resiliência; • Caracterização geral dos pavimentos utilizados, verificando o atendimento das características definidas nas especificações gerais para obras de infraestrutura aeroportuária. 16 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 PAVIMENTOS – CONCEITOS BÁSICOS Segundo o Manual de Pavimentação do DNIT (Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes), órgão responsável pela administração da infraestrutura de transportes no Brasil, pavimento é uma superestrutura constituída por um sistema de camadas de espessuras finitas, compostas por materiais de diferentes resistências e deformabilidades, assentes sobre um semi-espaço considerado teoricamente como infinito, o subleito (BRASIL, 2006). Já para Bernucci et al. (2008), pavimento é uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas, construída sobre a superfície final de terraplanagem, destinada a resistir aos esforços oriundos do tráfego de veículos e do clima, e a propiciar aos usuários melhoria nas condições de rolamento, com conforto, economia e segurança. Conforme Pinto e Preussler (2002), um pavimento deve possuir as seguintes características: ter resistência para suportar os esforços verticais oriundos do tráfego para os quais foi projetado e distribuí-los ao terreno sobre o qual assenta; resistir sem desgaste excessivo aos esforços horizontais produzidos pelo tráfego; melhorar as condições de rolamento, permitindo uma circulação fácil, cômoda e segura; permitir que se realizem operações de reforço ou recapeamento compatíveis com o crescimento do volume de tráfego e conservar suas qualidades sob a ação dos agentes intempéricos. O pavimento pode ser composto por diversas camadas. Uma seção transversal típica é composta pelo subleito (terreno de fundação) e sua regularização, o reforço do subleito, a sub- base (construída quando as circunstâncias não permitem aplicar a camada de base diretamente sobre o reforço de subleito), a base, principal responsável por resistir e distribuir os esforços verticais provenientes do tráfego, e o revestimento, também chamado de camada de rolamento. Os pavimentos aeroportuários não se distinguem dos pavimentos rodoviários quanto à sua estratificação e materiais usualmente utilizados, porém, por receberem cargas consideravelmente mais pesadas e menor número de solicitações, devem apresentar um desempenho, estabilidade e resistência mais expressivos. 2.1.1 Tipos de pavimentos Os pavimentos podem ser divididos em três tipos: rígidos, semirrígidos ou flexíveis. 17 Os pavimentos rígidos são aqueles que possuem a camada de revestimento constituída por Concreto de Cimento Portland (CCP), seguidas de uma ou duas camadas de agregado estabilizado ou não com ligante hidráulico. Eventualmente estes pavimentos podem ser reforçados por telas de aço, para aumentar sua resistência à flexão e evitar o aparecimento de fissuras, e barras de aço, que têm a função de transferir cargas entre as placas de concreto e evitar o desnivelamento. Os pavimentos semirrígidos, apresentam uma ou duas camadas superiores constituídas por misturas betuminosa, seguidas de uma camada de base constituída por agregado estabilizado com ligante hidráulico. Já os pavimentos flexíveis, apresentam as camadas superiores formadas por misturas betuminosas, seguidas por camadas de material granular não estabilizadas com ligante hidráulico. Na obra que é objeto de estudo deste trabalho, são utilizados pavimento flexível nas pistas de pouso e decolagem, e pavimento rígido para as áreas de reabastecimento, manutenção e pátio de manobra dos aviões. Nessas áreas é recomendado o uso de pavimento rígido, uma vez que o concreto de cimento Portland possui maior resistência química aos combustíveis, óleos e lubrificantes que eventualmente venham a ser derramados sobre a superfície desses pavimentos. Contudo, este trabalho irá tratar especificamente dos pavimentos flexíveis das pistas de pouso e decolagem da base aérea. 2.1.2 Pavimentos flexíveis Os pavimentos flexíveis são aqueles revestidos com uma ou mais camadas de misturas betuminosas assentadas diretamente sobre camadas granulares. Estas podem ser fabricadas a frio, como o Pré-Misturado à Frio (PMF) e os Tratamentos Superficiais Duplos ou Triplos (TSD ou TST), utilizados geralmente em estradas de baixo volume de tráfego, ou fabricadas a quente, como o Concreto Betuminoso Usinados a Quente (CBUQ), que é o tipo de revestimento utilizado na obra que é objeto de estudo deste trabalho. Estes tipos de pavimentos são chamados de flexíveis uma vez que a estrutura do pavimento “flete” devido às cargas do tráfego. Segundo Pinto e Preussler (2002, p. 9), um pavimento flexível é aquele em que todas as camadas sofrem uma deformação elástica significativa sob o carregamento aplicado e, portanto, a carga se distribui em parcelas aproximadamente equivalentes entre as camadas. Portanto, a estrutura de um pavimento 18 flexível deve ser composta por camadas de materiais que podem acomodar esta flexão da estrutura. Figura 1 – Estrutura típica de um pavimento flexível Fonte: Bernucci et al. (2008) Existe uma diversidade de tipos de revestimentos para pavimentos flexíveis, em geral variando as características granulométricas dos agregados, como densidade de graduação, teor de ligante asfáltico, e eventualmente o uso de polímeros e aditivos. No entanto, como na obra em estudo o tipo de revestimento utilizado foi o CBUQ, iremos dar enfoque a esse tipo de mistura asfáltica. 2.1.3 Patologias em pavimentos flexíveis Visto que estão constantemente sujeitos a cargas e esforços, os pavimentos possuem vida útil limitada e gradualmente se deterioram com o tempo. Essa deterioração é evidenciada pelo aparecimento de diferentes formas de patologias, causadas pelas condições ambientais, materiais utilizados, técnicas construtivas e ações do tráfego. Os defeitos de superfície podem aparecer precocemente (devido a erros ou inadequações) ou a médio ou longo prazo (devido à utilização pelo tráfego e efeitos das intempéries). Entre os erros ou inadequações que levam à redução da vida de projeto, destacam-se os seguintes fatores, agindo separada ou conjuntamente: erros de projeto; erros ou inadequações na seleção, na dosagem ou na produção de materiais; erros ou inadequações construtivas; erros ou inadequações nas alternativas de conservação e manutenção. (BERNUCCI et al., 2008) Em pavimentos aeroportuários, estes defeitos se apresentam como um perigo potencialmente maior do que em rodovias, uma vez que, diferentemente dos carros, para uma 19 aeronave não é possível reduzir a velocidade ao identificar a aproximação de uma falha no pavimento. Assim sendo, qualquer material desagregado ou parte solta do pavimento proveniente do seu desgaste pode ser sugado pelos motores da aeronave de forma a causar sérios problemas à sua estrutura e funcionamento. Segundo a RBAC 153 (ANAC, 2016), o operador do aeródromo deve manter a pista de pouso e decolagem em condições operacionais visando: à resistência à derrapagem; ao controle direcional das aeronaves; e à integridade dos equipamentos aeronáuticos. As exigências citadas, entre outros aspectos, são relacionadas diretamente aos defeitos no pavimento. Para Souza (2004), os defeitos dos pavimentos podem ser classificados como defeitos estruturais e defeitos funcionais. O defeito estrutural é aquele que compromete a capacidade do pavimento de suportar as cargas oriundas do tráfego, ou seja, a estrutura do pavimento. O defeito funcional é aquele que compromete as boas condições de rolamento da via, ou seja, o conforto do usuário e a segurança quanto à derrapagem. Conforme Bernucci et al. (2008), os tipos de defeitos catalogados pela norma brasileira são: fendas(F); afundamentos (A); corrugações e ondulações transversais (O); exsudação (EX); desgaste ou desagregação (D); panela ou buraco (P); remendos (R). A norma brasileira que determina as terminologias desses defeitos é a DNIT TER 005/2003 (DNIT, 2003). a) Fendas: Qualquer descontinuidade na superfície do pavimento, que conduza a aberturas de menor ou maior porte, sendo subdividida em: Fissuras (fenda de largura capilar, somente perceptível a vista desarmada de uma distância inferior a 1,50m); Trincas (fenda facilmente visível a vista desarmada, apresentando-se sobre a forma de trinca isolada ou trinca interligada); b) Afundamentos: Deformações permanentes do revestimento asfáltico e/ou suas camadas subjacentes, caracterizada pela depressão da superfície do pavimento. Apresenta-se sob a forma de afundamento plástico ou de consolidação; c) Ondulações ou Corrugações Transversais: Corrugações são deformações transversais ao eixo da pista, com depressões intercaladas de elevações, com comprimento de onda entre duas cristas que podem variar de poucos milímetros a vários centímetros, formando uma PA (progressão aritmética). Ondulações também são deformações transversais ao eixo da pista, diferenciadas das corrugações pelo comprimento de onda entre duas cristas da ordem de metros. d) Exsudação: Excesso de ligante betuminoso na superfície do pavimento, causado pelo alto percentual de asfalto na mistura ou pelo baixo índice de vazios. Quando submetido a altas temperaturas, o ligante migra através do revestimento, acumulando-se em sua superfície, o que pode prejudicar sua aderência. 20 e) Desgaste ou Desagregação: Desprendimento dos agregados da mistura asfáltica caracterizado pela aspereza superficial do revestimento e provocado pelos esforços do tráfego. Esta patologia resulta em partes de agregado soltas sobre a camada de rolamento, podendo causar deslizamento e danos à estrutura de veículos. f) Panela ou Buraco: Cavidades de tamanhos variados, podendo ocorrer em qualquer porção da superfície do pavimento, e até camadas subjacentes. Causada pela falta de aderência entre as camadas (pintura de ligação inadequada), pela fadiga da superfície do pavimento ou pela evolução de outras patologias. g) Remendos: Defeito caraterizado pelo preenchimento das panelas com massa asfáltica. Apesar de ser uma medida corretiva e estar relacionado à conservação do pavimento, pode resultar em patologias mais severas. Pode ser dividido em Remendos Profundos, quando atinge camadas inferiores do pavimento, e Remendos Superficiais, quando atinge somente a superfície do revestimento. 2.2 CONCRETO BETUMINOSO USINADOS A QUENTE – CBUQ O CBUQ é uma mistura asfáltica misturada em altas temperaturas previamente à aplicação em usina apropriada, não podendo ser estocada. Essa mistura é basicamente composta de agregado mineral graúdo, miúdo, filler (material de enchimento) e o ligante betuminoso. O asfalto, elemento aglutinador da mistura, é um ligante betuminoso que provém da destilação do petróleo. Este material se enquadra em certos limites de consistência para determinadas temperaturas: possui consistência semi-sólida a temperaturas baixas, viscoelástica à temperatura ambiente e líquida a altas temperaturas. Para Ceratti e Reis (2011), há várias razões para o uso intensivo do asfalto em pavimentação, sendo as principais: proporciona forte união dos agregados, agindo como um ligante que permite flexibilidade controlável; é impermeabilizante, é durável e resistente à ação da maioria dos ácidos, dos álcalis e dos sais, podendo ser utilizado aquecido, diluído em solventes de petróleo ou emulsionado em água, em amplas combinações de esqueleto mineral. O CBUQ é um material muito sensível à variação do teor de ligante asfáltico, visto que um teor muito alto pode gerar problemas de deformação permanente por fluência e/ou exsudação. Com a falta de ligante gera um enfraquecimento da mistura e de sua resistência à formação de trincas, diminuindo a vida útil do pavimento, provocando precocemente a necessidade de manutenção ou recuperação do pavimento asfáltico (BERNUCCI et al., 2008). 21 2.2.1 Dosagem do CBUQ Segundo Leandro (2016), a proposta dos métodos de dosagem de misturas asfálticas é, basicamente, determinar o teor de ligante ideal para uma distribuição granulométrica de agregado pré-estabelecida por norma, para que a mistura apresente um desempenho satisfatório quando submetidas às condições do campo. Esses métodos são usualmente derivados de ensaios em laboratórios em materiais que serão utilizados em campo. Assim, para que os resultados dos ensaios sejam representativos, as amostras preparadas devem assemelhar-se, tanto quanto possível, àquelas resultantes do campo que são obtidas após os processos de usinagem, lançamento, compactação e, subsequentemente, do carregamento devido ao tráfego, ao envelhecimento e à ação dos agentes climáticos. No que tange à compactação, essa deverá produzir amostras com densidades e orientação de partículas de agregado semelhantes às de pista. A técnica de dosagem Marshall é bastante utilizada, pois se trata de uma metodologia simples e barata, sendo a compactação dos corpos de prova realizada por golpes de um soquete metálico. Porém, devido à observação de deformações permanentes prematuras em rodovias americanas de tráfego pesado, durante os anos 80, surgiu a necessidade de um novo método de dosagem. Essas deformações foram associadas ao excesso de ligante nas misturas, e levaram a acreditar que a densidade dos corpos de prova compactados com impacto não condizia com as densidades do pavimento compactado em campo, o que levou ao desenvolvimento da metodologia Superpave pelo Strategic Highway Research Program (SHRP), estudo realizado nos EUA sobre materiais asfálticos (VASCONCELOS, 2004). A principal diferença do método Marshall para o Superpave trata-se da forma de compactação dos corpos de prova. Enquanto no método Marshall são utilizados impactos para a compactação, no método de dosagem Superpave ela é realizada através de amassamento (giros), por um equipamento denominado Compactador Giratório Superpave (CGS). A dosagem de misturas asfálticas no Brasil ainda é realizada, em maior parte das vezes, pelo método Marshall, uma vez que é o único normatizado. Porém, universidades e departamentos de transporte vêm desenvolvendo estudos com a metodologia Superpave, que por sua vez vem demonstrando resultados mais satisfatórios em termos de desempenho. Um estudo realizado por Machado et al. (2017) analisou e comparou o comportamento mecânico de misturas asfálticas dosadas pela metodologia Superpave e pela Marshall. As propriedades mecânicas consideradas para esta comparação foram o módulo de resiliência (MR), a resistência à tração estática por compressão diametral (RT), e a relação MR/RT, que 22 segundo Bernucci et al. (2008), é considerada como indicador de vida de fadiga de misturas asfálticas. Segundo a especificação de serviço ES 031 (DNIT, 2006a), misturas asfálticas usinadas a quente, dimensionadas para a camada de rolamento, devem obter resistência à tração por compressão diametral estática, ensaiadas a 25°C, superior a 0,65 MPa. O módulo de resiliência e a relação MR/RT não são citadas na norma, porém, de acordo com Leite et al. (2000) e Pinheiro et al. (2003) (apud MACHADO et al., 2017), misturas com razão MR/RT da ordem de 3000 apresentam um bom comportamento estrutural sob a ação das solicitações dinâmicas devidas ao tráfego e intempéricas devidas ao clima. Para fins comparativos, apresentam-se no quadro 1 os resultados dos ensaios de realizados no trabalho em questão e de outras pesquisas que utilizaram os dois métodos de dosagem e a mesma faixa granulométrica. Quadro 1 – Comparativo entre os resultados da pesquisa em questão e os obtidos na literatura paraos métodos Marshall e Superpave, para a faixa C do DNIT e para ligantes asfálticos similares Mistura/Autor Método de dosagem MR (MPa) RT (MPa) MR/RT Concreto asfáltico – CAP 50/60 – Vasconcelos (2004) Superpave 6003 1,72 3490 Concreto asfáltico – CAP 50/70 – Bruxel (2015) Superpave 3988 1,15 3117 Concreto asfáltico – CAP 50/70 – Pesquisa em questão Superpave 3733 1,2 3111 Concreto asfáltico – CAP 50/70 – Borges et al. (2016) Marshall 4073 0,91 4475 Concreto asfáltico – CAP 50/70 – Tinajeros et al. (2016) Marshall 2656 1,11 2393 Concreto asfáltico – CAP 50/70 – Prudente (2015) Marshall 5723 1,06 5399 Fonte: Adaptado de Machado et al. (2017) Como pode se observar, as misturas dosadas pelo método Superpave apresentaram comportamento mais satisfatório do que as dosadas pelo método Marshall em termos de RT e da razão MR/RT. Também pode-se observar que há uma maior disparidade nos resultados fornecidos pelo método de dosagem Marshall, o que pode ser interpretado de forma que a 23 metodologia Superpave represente melhor as condições executivas de campo, sobretudo de compactação (MACHADO et al., 2017). 2.2.2 Procedimentos executivos do CBUQ A mistura do CBUQ deve ser feita em uma usina de asfalto, que consiste em um conjunto de acessórios mecânicos e eletrônicos interconectados, que compõem um equipamento automatizado de forma a produzir misturas asfálticas dentro de características previamente especificadas. As funcionalidades básicas das usinas de asfalto são: dosar os materiais pétreos e cimento asfáltico; secar e aquecer os agregados; filtrar os gases provenientes do sistema de secagem; misturar os materiais; e transportar o produto final para um silo de armazenamento ou diretamente a um caminhão para ser utilizado em pavimentação. Existem dois tipos de básicos de usina de asfalto: a usina drum-mixer ou de produção contínua, e a gravimétrica ou de produção descontínua. Quando já existe uma camada de revestimento anterior à nova capa asfáltica a ser aplicada, o primeiro passo do procedimento executivo na recuperação do revestimento em campo é a fresagem. Esta técnica se trata do corte ou desbaste de uma ou mais camadas de um pavimento por meio de um processo mecânico com equipamento adequado (fresadora) que possibilita o desbaste em profundidades pré-determinadas, visando a restauração de pavimentos (BONFIM, 2007). De acordo com Bonfim (2007), a fresagem de um pavimento pode ser realizada de duas maneiras quanto à temperatura de ocorrência: a frio ou a quente. Na fresagem a frio, o processo é realizado na temperatura ambiente, causando a quebra dos agregados na profundidade do corte e, consequentemente, a alteração da curva granulométrica do material existente na pista. Já na fresagem a quente, é efetuado o pré-aquecimento do revestimento, o que diminui a resistência ao corte. Nesse caso, não ocorre uma alteração significativa da granulometria do material, tendendo a gerar apenas a desagregação do mesmo. Quanto a espessura de corte, a fresagem pode ser classificada como superficial, destinada apenas à correção de defeitos superficiais, rasa, com profundidade média de 5 cm, e profunda quando alcança camadas além do revestimento. Também podem-se classificar os tipos de fresagem quanto à rugosidade resultante na pista, o que depende da densidade da disposição dos “bits”, ou dentes de corte, no cilindro fresador, além da velocidade de operação, podendo ser uma fresagem padrão, fina ou microfresagem. 24 Figura 2 – Tipos de fresagem quanto à rugosidade, onde: a) fresagem padrão, b) fresagem fina e c) microfresagem a) b) c) Fonte: Bonfim (2007) Os serviços de fresagem incluem a remoção imediata de todo o material fresado e limpeza da camada remanescente com a utilização de vassouras mecânicas rotativas, manual ou com ar comprimido, de modo a permitir a continuidade do fluxo de tráfego, se necessário, antes da reposição da nova camada (DIRENG, 2002). Após a remoção da camada asfáltica antiga e a limpeza da superfície fresada, o próximo passo é a pintura de ligação, que consiste na aplicação de uma camada de emulsão asfáltica sobre a superfície de uma base ou de um pavimento, antes da execução de um revestimento asfáltico, objetivando propiciar a aderência entre este revestimento e a camada subjacente. Em casos que a superfície subjacente à camada asfáltica a ser aplicada seja a base ou sub-base granular do pavimento, deve ser feita a imprimação, que consiste na aplicação de uma camada de asfalto diluído sobre a superfície granular, com o objetivo de aumentar a coesão e a promover a estanqueidade da superfície imprimada graças à penetração do material betuminoso utilizado. Com a superfície subjacente à camada de rolamento devidamente imprimada, tem-se início o lançamento da mistura asfáltica, que é levada ao local por meio de caminhões basculantes. A mistura deve ser lançada em camada uniforme de espessura e seção transversal definidas, pronta para a compactação. O lançamento é realizado por vibroacabadoras que sejam capazes de executar camadas de menos de 25mm até aproximadamente 300mm de espessura, 25 em larguras ajustáveis de acordo com o serviço. As velocidades de deslocamento são reguláveis e podem atingir até 20m/min. As vibroacabadoras são compostas por duas unidades: a tratora e a de nivelamento. A unidade tratora pode ser apoiada sobre um par de esteiras ou de pneus, e é responsável pelo deslocamento da vibroacabadora e o recebimento, condução e lançamento uniforme da carga de mistura asfáltica à frente da unidade de nivelamento, a qual suas funções são nivelar e pré-compactar a mistura asfáltica sobre a superfície em que foi lançada, de acordo com especificações de geometria previamente definidas (BERNUCCI et al., 2008). Caso ocorram irregularidades na superfície da camada, estas deverão ser sanadas pela adição manual de concreto asfáltico, sendo esse espalhamento efetuado por meio de ancinhos e rodos metálicos (DIRENG, 2002). Imediatamente após a distribuição do concreto asfáltico, tem início a rolagem ou compactação. Apesar de ser a última fase do processo de execução de um pavimento, a compactação é crucial para o desempenho futuro do material. Através desse processo a mistura betuminosa passa de um estado solto para um estado denso, as partículas anteriormente distantes umas das outras passam a estar em contato entre si. A mistura é arranjada de modo que o esqueleto de partículas ocupe um volume menor e grande parte do ar seja expulso. Somente com essa modificação se poderá obter um material que em serviço possa aguentar as cargas sem deformações elevadas (MICAELO, 2008). Segundo Bernucci et al. (2008), a compactação de uma camada asfáltica de revestimento aumenta a estabilidade, reduz seu índice de vazios, proporciona uma superfície suave e desempenada e aumenta sua vida útil. Para que a compactação seja executada de maneira eficiente, deve existir confinamento ao compactar e temperatura adequada da mistura asfáltica. O confinamento lateral é interno e se dá pela mistura asfáltica circundante sendo compactada, que deve para isto ser resistente à fluência e ao escorregamento. Para isto, a mistura deve estar em temperatura adequada, que é relacionada ao tipo de ligante asfáltico sua viscosidade. O processo de compactação de uma camada asfáltica geralmente é compreendido por duas fases: a rolagem de compactação e a rolagem de acabamento. É na fase de rolagem de compactação que se alcança a densidade, a impermeabilidade e grande parte da suavidade superficial. Na rolagem de acabamento são corrigidas marcas deixadas na superfície da camada pela fase de rolagem anterior. A rolagem de compactação pode ser iniciada diretamente com os rolos de pneus, já a rolagem de acabamentoé executada com rolos tandem lisos estáticos. Na execução de camadas com misturas asfálticas com agregados de granulometria descontínua, a rolagem é realizada somente com o rolo tandem liso estático, pois é fundamental evitar a 26 segregação durante o processo e também manter a estrutura pétrea desejada na camada compactada (BERNUCCI et al., 2008). 2.3 PAVIMENTOS AEROPORTUÁRIOS De acordo com a Federal Aviation Administration (FAA, 2016) entidade governamental responsável pela regulamentação dos aspectos relacionados à aviação civil nos Estados Unidos, os pavimentos aeroportuários são estruturas complexas, projetadas e construídas para fornecer suporte adequado às cargas impostas pelas aeronaves, de forma a fornecer uma superfície firme, estável, lisa, resistente a derrapagens e livre de detritos. Quadro 2 – Características das pistas e dos veículos: rodovias e aeródromos Fonte: Medina & Motta (2005) apud ARAÚJO (2009) Os pavimentos aeroportuários se diferem consideravelmente dos pavimentos rodoviários na magnitude da carga aplicada, a pressão dos pneus, a seção geométrica do pavimento e o número de repetições de carga durante sua vida útil, mas se assemelham em termos do tipo de materiais e serviços utilizados na sua construção e aplicação (ARAÚJO, 2009), e principalmente no seu objetivo: oferecer conforto e segurança a seus usuários. 27 A condição superficial dos pavimentos aeroportuários é de suma importância para a segurança de seus usuários. De acordo com Rodrigues Filho (2006), durante muitos anos as causas dos acidentes aeroviários eram atribuídas apenas ao piloto ou o equipamento. Com o passar do tempo, este conceito foi sendo modificado graças ao melhor entendimento dos problemas inerentes à aviação. Hoje se sabe que um acidente é resultado de vários fatores contribuintes que juntos desencadeiam uma série de eventos e acabam por ocasionar o acidente, e que a condição das pistas de pouso é uma geradora em potencial desses fatores. Conforme pode-se constatar com os dados registrados pela Boeing (2017), apresentados na figura 3, cerca de 30% dos acidentes aeroviários no período entre 2007 e 2016 com aeronaves comerciais ocorreram durante as operações de decolagem e pouso, mesmo quando compreendem apenas 2% do tempo estimado de viagem. Esses dados refletem o fato de que as más condições dos pavimentos aeroportuários são um dos principais fatores associados a este tipo de ocorrência, podendo-se ressaltar a insuficiência da resistência a derrapagem, visto que 24% dos acidentes aconteceram na operação de pouso, quando as aeronaves se encontram numa velocidade elevada e necessitam que a pista possua resistência à derrapagem suficiente que garanta segurança no momento do contato entre pneu-pavimento e no processo de frenagem. Figura 3 – Acidentes e fatalidades de aeronaves por fases de voo no período 2007 – 2016 Fonte: Adaptado de Boeing (2017) Para Souza (2004), em relação aos aspectos funcionais, os parâmetros mais relevantes dos pavimentos aeroportuários estão relacionados à segurança contra a derrapagem das aeronaves, a qual é função de uma boa interação pneu-pavimento. Esta interação depende da macrotextura e microtextura do revestimento, bem como de boas condições de drenagem superficial. Quanto aos aspectos estruturais, a deterioração por fadiga dos revestimentos 28 asfálticos aeroportuários tem se acelerado em função do acréscimo de carga e mudança nos padrões das aeronaves, cada vez mais pesadas. Para revestimentos asfálticos de pavimentos aeroportuários, procura-se ter uma mistura com agregados de graduação mais aberta e descontínua, a fim de se obter um revestimento de textura mais aberta e, consequentemente, maior capacidade drenante. Porém, a faixa granulométrica utilizada como camada de rolamento das pistas dos aeródromos do país, inclusive na obra em estudo, é a denominada Faixa 3 da DIRENG (Diretoria de Engenharia da Aeronáutica), uma graduação contínua, bem graduada, densa e bem fechada (ARAÚJO, 2009). Os efeitos da globalização têm refletido diretamente na demanda do tráfego aéreo, tanto no aumento do número de passageiros quanto na magnitude do transporte de cargas, gerando a necessidade de uma constante adequação da infraestrutura aeroviária brasileira para oferecer um serviço com níveis de segurança e qualidade compatíveis com os oferecidos pela indústria da aviação mundial. Sendo assim, é de suma importância que os pavimentos aeroportuários ofereçam índices de condição superficial adequados aos requisitos de segurança e conforto ao rolamento (MERIGHI, 2017). 2.3.1 Manutenção de pavimentos aeroportuários A degradação do pavimento de pistas de pouso e decolagem, táxis, pátios e outras áreas de circulação e manobras ocorrem, em geral, de forma gradual, com o acúmulo de defeitos, tendo comportamentos e desempenho diferentes. Assim, cada trecho da rede de pavimentos do aeródromo encontra-se em um nível de serventia diferente, ao longo da vida útil, necessitando ou não de intervenções de Manutenção e Restauração (M&R) (ANAC, 2017). De acordo com Gonçalves (1999), a manutenção de um pavimento compreende todas as intervenções que afetem, direta ou indiretamente, o nível de serventia atual e/ou o desempenho futuro do pavimento. As atividades de manutenção podem ser classificadas em três tipos: a) Conservação: Consiste de intervenções que visam a correção total ou parcial de deficiências funcionais e/ou a proteção da estrutura do pavimento contra uma degradação mais acelerada durante os próximos anos; b) Restauração: É o processo de se trazer a condição funcional a níveis aceitáveis por meio de intervenções que sejam técnica e economicamente adequadas, o que implica em que a durabilidade e o desempenho da solução implementada devam atender a requisitos mínimos, além de levarem a um retorno máximo do investimento realizado, 29 dentro das restrições técnicas e operacionais existentes. A restauração requer, portanto, a execução de um projeto de engenharia completo e consistente; c) Reconstrução: Consiste da remoção total do pavimento existente e é utilizada quando: os custos de uma restauração superam o da reconstrução do pavimento; não há confiabilidade suficiente aceitável para o desempenho do pavimento restaurado; e o pavimento deve ser restaurado e haverá também uma mudança de geometria, motivada, por exemplo, pela necessidade de elevação de um padrão operacional. Quando existe um sistema de gerenciamento e a condição de um pavimento é monitorada de forma a identificar a necessidade de manutenções e realizá-las, a sua vida útil é prolongada e o custo envolvido em manutenção e reparo é significativamente reduzido quando comparado a situações em que não ocorre este monitoramento. Muitas vezes, a situação do pavimento chega a um estado último de utilização, sendo necessária a reconstrução do mesmo (MERIGHI, 2017). Sendo assim, os pavimentos aeroportuários devem ser frequentemente submetidos a avaliações, de forma que seja possível identificar a necessidade de reparos e melhorias e realiza- las, mantendo as pistas e pátios em condições adequadas para garantir a segurança das aeronaves em operação de pouso, estacionamento e decolagem. 2.4 AVALIAÇÃO DE PAVIMENTOS A avaliação de um pavimento compreende um conjunto de atividades destinadas à obtenção de dados, informações e parâmetros que permitam diagnosticar-se os problemas e interpretar-se o desempenho apresentado pelo pavimento, de modo a ser possível detectar as suas necessidades atuais e futuras de manutenção e prever as consequências da implementação de estratégias alternativas de manutenção (GONÇALVES, 1999). A integridade de um pavimento pode ser avaliada de forma funcional ou estrutural. A avaliação da condição funcional do pavimento leva em consideração o cumprimentode duas funções básicas do pavimento: segurança e conforto, enquanto a condição estrutural leva em conta a capacidade do pavimento de resistir às solicitações do tráfego. Ressalta-se que, para efeito de elaboração de um projeto de restauração e/ou reconstrução de pavimento, somente a avaliação funcional não é suficiente para fornecer as informações necessárias, sendo também recomendável a realização de uma avaliação estrutural para verificação da capacidade de carga do pavimento avaliado (RAMOS, 2015). 30 2.4.1 Avaliação funcional de pavimentos Problemas funcionais da pista afetam diretamente o usuário da via, seja ela rodoviária ou aeroportuária, na forma de conforto ao rolamento. Quando o conforto é prejudicado, significa que o veículo também sofre mais intensamente as consequências desses defeitos. Essas consequências acarretam maiores custos operacionais, relacionados a maiores gastos com peças de manutenção dos veículos, com consumo de combustível e de pneus, com o tempo de viagem e segurança (custo com acidentes). Portanto, atender o conforto ao rolamento também significa economia nos custos de transporte (Bernucci et. al., 2006). Para Araújo (2009), a condição funcional dos pavimentos tem como palavras-chave: conforto ao rolamento, condição da superfície, interação pneu-pavimento, defeitos e irregularidades. A contato pneu-pavimento e a aderência de ambos são, entre outros fatores, responsáveis por uma adequada operação de pouso ou decolagem. Condições inadequadas de aderência na interação pneu-pavimento podem ocasionar acidentes em um sistema viário seja urbano, rodoviário ou aeroportuário. O termo aderência refere-se ao limite de atrito, desenvolvido entre os pneus do veículo e a superfície da camada de rolamento do pavimento, que assegura a mobilidade e dirigibilidade do veículo (ARAÚJO, 2009). Períodos chuvosos, combinados com uma inadequada condição da superfície de rolamento são extremamente perigosos para os seus usuários, pois há grandes chances de formação de lâminas d’água e, consequentemente, a ocorrência do fenômeno de aquaplanagem. Este fenômeno entende-se como a perda de contato pneu-pavimento, devido a pressões hidrodinâmicas, fazendo com que o veículo entre num estado de flutuação sobre a lâmina d’água e o condutor perca o controle, resultando na derrapagem. Um dos principais fatores que colaboram para a aderência pneu-pavimento em pistas molhadas é a textura superficial da pista, que pode ser dividida basicamente em macrotextura e microtextura. A microtextura está relacionada à aspereza dos agregados utilizados na mistura: quanto mais áspero, maior a sua capacidade de quebrar as películas d’água e oferecer um maior contato a “seco”. Entretanto, quanto maior for o valor da microtextura, maior também será o desgaste dos pneus. Já a macrotextura pode ser definida como a rugosidade visível da superfície do pavimento, e influencia diretamente na resistência à derrapagem, no rolamento e na drenabilidade da camada de rolamento, pois permite o escoamento da água superficial por entre os canais da rugosidade. De acordo com Rodrigues Filho (2006), quanto mais aberta for a macrotextura de um pavimento, maior será a profundidade média da lâmina d’água necessária 31 para provocar a hidroplanagem. Contudo, se muito aberta, acaba por causar o desgaste excessivo nos pneus, maior consumo de combustível e ruído ao rolamento. Uma das formas mais conhecidas para auxiliar a redução das derrapagens nos aeródromos é a execução de ranhuras transversais (grooving) na superfície do revestimento, de forma a favorecer a drenagem da água superficial do pavimento, melhorar as condições de atrito pneu-pavimento, e consequentemente diminuir o potencial de ocorrência de hidroplanagem (SILVA, 2008). Outro problema recorrente nas pistas de pouso é a contaminação por emborrachamento provocado pela desvulcanização dos pneus das aeronaves. Devido ao número acentuado de pousos e decolagens nas pistas aeroportuárias o processo de emborrachamento ocorre constantemente, acumulando uma grande quantidade de borracha nas pistas, que por sua vez fecha as ranhuras, fazendo com que a superfície perca suas qualidades drenantes, que é a característica mais importante do grooving (ARAÚJO 2009). Figura 4 – Revestimento com grooving antes e após o desemborrachamento Fonte: Rodrigues Filho (2006) A avaliação funcional é realizada mediante métodos padronizados de medidas e observação dos defeitos superficiais dos pavimentos, que permitem inferir a condição operacional da superfície. Os levantamentos são realizados com o objetivo de se identificar, mapear, cadastrar e quantificar as patologias ou defeitos da superfície do pavimento avaliado, que podem estar associadas a uma série de fatores, tais como: tráfego, clima, processos construtivos e características físicas dos materiais utilizados (RAMOS, 2015). No Brasil, a ANAC (2017) recomenda a utilização do PCI (Pavement Condition Index), estabelecido pela norma americana ASTM D5340 – 12 Standard Test Method for Airport Condition Index Surveys. 32 O PCI é um indicador numérico da condição geral da superfície do pavimento, medido na escala de 0 (pavimento na condição de ruptura) a 100 (pavimento em perfeito estado). O método de avaliação consiste em dividir o pavimento em áreas típicas de funções distintas (tais como pistas de pouso, táxi e pátios) e em unidades amostrais, para que através de inspeções visuais dos tipos, quantidades e severidade dos defeitos, seja calculado o índice (ANAC, 2017). Estabelecido o PCI do pavimento, verifica-se se ele se encontra dentro dos limites de segurança e funcionalidade. O PCI crítico de manutenção é aquele que, quando atingido, é recomendável a adoção de medidas de Manutenção & Restauração (M&R), pois a partir desse nível, a taxa de decréscimo da condição do pavimento aumenta significativamente. Entretanto, não necessariamente deve ser interrompida a utilização do pavimento. Já o PCI crítico de serviço é o limite que, quando atingido, recomenda-se a interrupção do uso da infraestrutura, pois a mesma já apresenta condições que representam um perigo potencial para seus usuários. Sugere-se a utilização de um PCI crítico de manutenção de 70 e do PCI crítico de serviço de 40 (ANAC, 2017). Quadro 3 – Parâmetros do PCI do pavimento PCI Escala Cores 85 à 100 Excelente Verde escuro 70 a 84 Bom Verde claro PCI Crítico de Manutenção (70) 55 a 69 Regular Amarelo 40 a 54 Ruim Laranja PCI Crítico de Serviço (40) 25 a 39 Muito ruim Vermelho 10 a 24 Péssimo Vermelho escuro 0 a 9 Ruptura Cinza escuro Fonte: Adaptado de ANAC (2017) 2.4.2 Avaliação estrutural de pavimentos A avaliação da Condição Estrutural indica como a condição funcional do pavimento evoluirá ao longo do tempo se nenhuma intervenção for executada, bem como permite que se avalie as consequências, para o desempenho futuro, da implementação de diversas alternativas de restauração (ANAC, 2017). De acordo com Gonçalves (1999), um retrato completo da condição estrutural de um pavimento deve ser composto por: parâmetros que descrevam a deformabilidade elástica ou viscoelástica dos materiais das camadas; parâmetros que descrevam a resistência dos materiais 33 ao acúmulo de deformações plásticas sob cargas repetidas; e a integridade das camadas asfálticas e cimentadas, expressa pelo grau de fissuramento. Os métodos de avaliação estrutural são classificados em destrutivos e não-destrutivos. Os métodos destrutivos implicam na remoção de partes das camadas do pavimento para avaliação das suas características e condições in loco e extração de amostras para realização de ensaios de laboratório. Já os métodos não-destrutivos permitem inferir as condições estruturais sem danificar o pavimento, mediante ensaios executados na superfíciedo revestimento, onde se avalia a resposta do pavimento a uma carga aplicada (HAAS et al., 1994 apud RAMOS, 2015) ou pela execução de sondagens. Nos aeroportos brasileiros, para métodos não destrutivos, a ANAC (2017) recomenta o uso do FWC (Falling Weight Deflectometer), equipamento utilizado para determinar as deflexões recuperáveis na superfície do pavimento, e do GPR (Ground Penetrating Radar), que tem como função avaliar a estratigrafia e detectar possíveis anomalias estruturais da camada de pavimento. Para métodos destrutivos, é recomendada sondagens para extração de corpos de prova, utilizadas para identificação, caracterização e medição das espessuras das camadas do pavimento, e o DCP (Dynamic Cone Penetrometer), equipamento utilizado para determinar o CBR in situ do pavimento. Cabe ao responsável do aeroporto determinar quais ensaios e quando se dará a realização desses ensaios, a depender da condição apresentada pelo pavimento. 34 3. MATERIAIS E MÉTODOS Neste capítulo serão apresentados os materiais utilizados, assim como os métodos e procedimentos normativos utilizados na caracterização dos materiais, na dosagem e na determinação das propriedades mecânicas das misturas asfálticas estudadas e utilizadas na obra de recuperação do sistema de pistas da base aérea. A escolha e a caracterização dos materiais foram feitas priorizando os aspectos preponderantes para o desempenho e durabilidade da mistura asfáltica. Os ensaios foram realizados nas instalações da UFCG – Universidade Federal de Campina Grande. 3.1 MATERIAIS 3.1.1 Agregados minerais Os agregados minerais utilizados nas misturas asfálticas empregadas nas camadas de revestimento dos pavimentos flexíveis têm grande influência no desempenho mecânico das mesmas, visto que são responsáveis pela formação estrutura sólida necessária para resistir às solicitações impostas pelas cargas do tráfego, e constituem cerca de 95% do peso da mistura final (ARAÚJO, 2009). Os agregados escolhidos para serem utilizados na mistura asfáltica da obra em estudo são aqueles convencionalmente utilizados em empreendimentos e obras de pavimentação da região. Foram eles: brita granítica 19,00mm, brita granítica 12,5 mm, areia artificial (pó de pedra granítica) e cal hidratada. Estes materiais podem ser classificados de diversas formas, mais comumente pelo tamanho: são considerados graúdos os que ficam retidos na peneira nº 10 (2,0 mm), no caso em estudo, a brita 12,5 mm e a brita 19,0 mm, miúdos os que passam na peneira nº 10 e ficam retidos na peneira nº 200 (0,075 mm), no caso o pó de pedra, e material de enchimento ou “filler” os que têm pelo menos 65% de sua fração passante pela peneira de nº 200, no caso a cal hidratada. Quanto a composição química, há dois tipos de agregados, os básicos, eletropositivos ou hidrofóbicos e os ácidos, eletronegativos ou hidrofílicos. Os agregados de rochas classificadas como ácidas costumam apresentar problemas de adesividade, que é caso do granito, enquanto que os de rochas classificadas como básicas costumam apresentar melhor adesividade ao ligante asfáltico (BRASIL, 2006). 35 Visto que que a brita granítica não oferece adesividade suficiente para a sua utilização na mistura asfáltica, fez-se necessário o uso de um aditivo melhorador de adesividade, ou “dope”. As características deste material e os ensaios realizados para verificação da necessidade de seu uso serão tratados com mais detalhamento nos itens subsequentes deste trabalho. Além dos agregados graníticos utilizados, há a cal hidratada, que é oriunda da rocha calcária. Este material exerce a função de material de enchimento, ou “filler”, na mistura asfáltica. Filler é o nome designado para os materiais que tem como função primordial preencher os vazios entre agregados miúdos e graúdos, contribuindo para o fechamento da mistura, modificando a trabalhabilidade, a resistência à água e ao envelhecimento. De acordo com a norma DNER EM 367/97, o filler é descrito como um material inerte. Porém, segundo Bardini et al. (2009), em decorrência do pequeno tamanho das partículas e das características de superfície, a cal hidratada age como material ativo, manifestado nas propriedades de interface filler/ligante asfáltico. Inicialmente, foram coletadas amostras de agregados pétreos de duas pedreiras próximas da região da obra, uma a 52 km de distância da usina de asfalto, e outra a 10 km de distância. Realizados os ensaios isoladamente, foi definido que os agregados pétreos a serem utilizados na mistura asfáltica seriam provenientes da Pedreira Campel, visto que, apesar de ser mais distante, os materiais de sua precedência obtiveram melhores resultados, atendendo às especificações de infraestrutura aeroportuária da DIRENG. A Pedreira Campel se encontra no Município de Taipu, localizado na microrregião do Litoral Norte do Estado do Rio Grande do Norte e 50 Km de distância da capital Natal. Todos os agregados minerais utilizados são oriundos desta localidade, exceto a cal hidratada, que é proveniente de reservas de calcário localizadas no Município de Governador Six-Dept Rosado, também no estado do Rio Grande do Norte. 36 Figura 5 – Localização dos fornecedores de Agregados Minerais Fonte: Adaptado de MAPASBLOG1 Na figura 6 é mostrado um aspecto geral da frente de lavra da Pedreira Campel, sendo possível observar um maciço fraturado, veios ou diques de rocha ou mineral de coloração nacarada. Já na figura 7 é mostrado um aspecto geral das instalações da pedreira. Figura 6 – Frente de lavra da Pedreira Campel Fonte: Arquivo pessoal 1 MAPASBLOG. Mapas Blog. Disponível em: <https://mapasblog.blogspot.com/>. Acesso em: 20 out. 2018. 37 Figura 7 – Instalações da Pedreira Campel Fonte: Arquivo pessoal 3.1.2 Ligantes asfálticos Há várias razões para o uso do asfalto como ligante na pavimentação, sendo as principais: proporciona forte união dos agregados, permitindo flexibilidade controlável, é impermeabilizante, é durável e resistente à ação da maioria dos ácidos, dos álcalis e dos sais, podendo ser utilizado aquecido, diluído em solventes de petróleo ou emulsionado em água (CERATTI e REIS, 2011). Para a mistura asfáltica, o ligante betuminoso utilizado foi o Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) 50/70, sendo os números referentes à sua classificação por penetração. Além do CAP, também foram utilizados Asfalto Diluído de Petróleo (ADP) CM-30 para o serviço de imprimação, servindo como impermeabilizante da base do pavimento, e a Emulsão Asfáltica de Petróleo (EAP) RR-1C para o serviço de pintura de ligação. Para o ADP, a sigla CM é referente ao termo cura média, tempo que o diluente, no caso a querosene, demora para evaporar e o produto adquirir consistência semi-sólida. O número 30 refere-se à sua classificação por viscosidade cinemática. Já para o EAP, a sigla RR significa ruptura rápida, que se trata da velocidade pela qual ocorre a separação entre a fase aquosa e o asfalto, e 1C refere-se à classificação por viscosidade e ao tipo de emulsificante (catiônico). 38 Conforme foi citado anteriormente neste trabalho, foi utilizado um aditivo melhorador de adesividade a fim de melhorar a adesividade entre o ligante betuminoso e o agregado graúdo. Os aditivos melhoradores de adesividade, ou “dopes”, promovem a afinidade físico-química na película do ligante asfáltico com a superfície do agregado, corrigindo a aderência e a adesividade insatisfatórias entre agregados e ligantes (BRASQUÍMICA, 2015). Todos os materiais asfálticos acima descritos foram fornecidos pela Stratura Asfaltos, empresa subsidiária da Petrobras Distribuidora, com sede em São Paulo (SP), que atua na fabricação e distribuição de produtos para pavimentação e conservaçãode rodovias e afins, assim como na prestação de serviços de engenharia e na execução de serviços especializados de pavimentação. 3.2 MÉTODOS 3.2.1 Ensaios em agregados minerais Em misturas asfálticas, a caracterização dos materiais como primeira etapa do projeto é fundamental para garantir que o comportamento previsto para o pavimento seja alcançado. Em relação aos agregados, propriedades como resistência, durabilidade, forma e densidade são comumente avaliadas, sendo que os valores exigidos variam de acordo com o tipo de mistura. Para a realização dos ensaios em agregado graúdo, no caso a brita 19,0 mm e a brita 12,5 mm, foram utilizadas as normas referenciadas abaixo: a) ABNT NBR 7217 - Agregados – Determinação da Composição Granulométrica; b) ABNT NBR 12583 – Agregado Graúdo – Verificação da adesividade ao ligante betuminoso; c) ABNT NBR NM 51 – Agregado Graúdo - Ensaio de Abrasão “Los Angeles”; d) DNER ME 086/94 - Agregado – Determinação do Índice de Forma; e) DNER ME 089/94 - Agregados - Avaliação da Durabilidade pelo emprego de soluções de sulfato de sódio ou de magnésio. A análise granulométrica do material foi realizada considerando-se todas as peneiras apresentadas na Especificação Técnica 04.05.610 – Concreto Betuminoso Usinado a Quente (DIRENG, 2002), de forma a posteriormente avaliar a composição do material conforme o especificado. Para a realização deste ensaio, separa-se uma amostra de massa definida do agregado natural no almofariz, deposita-as no conjunto de peneiras por onde passa com a ajuda do agitador e registra-se o que fica preso em cada peneira depois de pesado na balança de precisão. Na figura 8 podem ser observadas amostras retidas nas diferentes peneiras. 39 Figura 8 – Granulometria dos agregados Fonte: Arquivo pessoal Segundo a ABNT NBR 12583, a propriedade do agregado ser aderido por material betuminoso é verificada pelo não deslocamento da película betuminosa que recobre o agregado, quando a mistura agregado-ligante é imersa em água destilada a 40°C, durante 72 h. O resultado é considerado satisfatório quando, ao fim de 72 h, não houver nenhum deslocamento da película betuminosa. Figura 9 – Adesividade dos agregados graúdos Fonte: Arquivo pessoal De acordo com a NBR NM 51, a Abrasão “Los Angeles” é o desgaste sofrido pelo agregado, quando colocado na máquina “Los Angeles” juntamente com carga abrasiva, submetido a um determinado número de revoluções desta máquina à velocidade de 30 a 33 rpm. 40 O desgaste é convencionalmente expresso pela porcentagem do material que passa, após o ensaio, pela peneira de malha de 1,7 mm. Figura 10 – Equipamento de Abrasão Los Angeles Fonte: Arquivo pessoal Conforme a Especificação Técnica 04.05.610 (DIRENG, 2002), o percentual de desgaste por Abrasão “Los Angeles” não pode ser superior a 50% para camadas de regularização ou binder, e 40% quando a mistura for destinada a camadas de superfície ou rolamento, que é o caso em estudo. A ensaio de verificação da lamelaridade permite avaliar a qualidade de um agregado graúdo em relação à forma dos grãos, considerando os agregados com grãos de forma cúbica como forma ótima para agregados britados. As partículas alongadas, em forma de lâminas, devem ser evitadas ou limitadas a no máximo 15% da massa total do agregado. O ensaio de lamelaridade é feito com um conjunto de peneiras com crivo de abertura circular, das quais após o peneiramento, obtém-se porcentagens de graduação que são utilizados numa expressão que calcula o Índice de Forma. De acordo com a Especificação Técnica 04.05.610 (DIRENG, 2002), o índice de forma mínimo deve ser 0,6 seguindo a norma DNER ME 086/94. A Norma DNER-ME 089 especifica o procedimento para verificação da resistência à desintegração dos agregados sujeitos à ação do tempo, de forma a avaliar a durabilidade. Neste caso foi utilizada a solução de sulfato de sódio e sulfato de magnésio. A amostra deve ser imersa nas soluções por um período de 16 a 18 horas, de modo que o nível da solução fique 1 cm acima da amostra. Após o período de imersão a amostra deve ser retirada da solução, drenada durante 41 15 ± 5 minutos e colocada em estufa para secar a 105ºC – 110ºC, até constância de peso. O resultado é expresso em percentagem em peso de cada fração da amostra que, após o ensaio, passe através da peneira na qual a fração foi originalmente retida. Figura 11 – Aparelhagem utilizada no ensaio de durabilidade Fonte: Arquivo pessoal O único ensaio realizado em agregado miúdo, no caso o pó de pedra, além do ensaio de determinação da granulometria especificado pela norma ABNT NBR 7217, foi o ensaio de determinação de equivalente de areia, para o qual foi utilizada a norma ABNT NBR 12052 – Solo ou agregado miúdo – Determinação de Equivalente de areia. De acordo com a Norma ABNT NBR 12052, o equivalente de areia é a relação volumétrica que corresponde à razão entre a altura do nível superior da areia e a altura do nível superior da suspensão argilosa de uma determinada quantidade de agregado miúdo, em uma proveta, nas condições estabelecidas nesta norma. 42 Figura 12 – Ensaio de equivalente de areia no pó de pedra Fonte: Arquivo pessoal Segundo a DIRENG (2002), o filler deve ser constituído de materiais minerais finamente divididos e não plásticos, tais como cimento Portland, cal extinta, pó calcário, cinza volante e similares. O único ensaio realizado no filler, no caso a cal hidratada, foi o ensaio de granulometria, especificado pela norma ABNT NBR 7217. Para o material ser utilizado como filler no CBUQ, sua granulometria deve passar pelo menos 65% na peneira de 0,075 mm de abertura de malha quadrada, e 95% na de 0,18 mm. 3.2.2 ENSAIOS EM ASFALTO Para a realização dos ensaios no CAP foram utilizadas as normas referenciadas abaixo: a) ABNT NBR 6560 – Determinação do ponto de amolecimento – Método do anel e bola; b) ABNT NBR 11341 – Produtos de petróleo – Determinação dos pontos de fulgor e combustão em vaso aberto Cleveland; c) ABNT NBR 6576 – Materiais betuminosos – Determinação da penetração; d) ABNT NBR 5847 – Materiais betuminosos – Determinação da viscosidade absoluta; e) ABNT NBR MB 517 – Materiais betuminosos – Determinação da viscosidade Saybolt- Furol a alta temperatura; f) ABNT NBR 15184 – Materiais betuminosos - Determinação da viscosidade em temperaturas elevadas usando um viscosímetro rotacional; g) ABNT NBR 12393 – Emulsões asfálticas – Determinação de peneiração. 43 O ponto de amolecimento é uma medida empírica que correlaciona a temperatura na qual o asfalto amolece quando aquecido sob certas condições particulares e atinge uma determinada condição de escoamento. No ensaio do anel e bola, de acordo com a norma ABNT NBR 6560 (ABNT, 2004), uma bola de aço de dimensões e peso especificados é colocada no centro de uma amostra de asfalto que está confinada dentro de um anel metálico padronizado. Todo o conjunto é colocado dentro de um banho de água num béquer, que é aquecido a uma taxa controlada de 5ºC/minuto. Quando o asfalto amolece o suficiente para não mais suportar o peso da bola, a mistura amolecida toca a placa do fundo do conjunto padrão de ensaio, quando a temperatura é marcada. O ensaio foi realizado conforme os parâmetros para o CAP 50/70. De acordo com a norma DNIT 095/2006 – Cimentos Asfálticos de Petróleo – Especificação do Material (DNIT, 2006), o ponto de amolecimento para o CAP 50/70 deve ser maior que 46°C. Através da realização do ensaio, foi constatada a conformidade do parâmetro especificado. Figura 13 – Ensaio de verificação do ponto de amolecimento do CAP Fonte: Arquivo pessoal O ensaio de ponto de fulgor tem como objetivo a determinação do ponto de inflamação do asfalto, que é a menor temperatura na qual
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