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3 - Materiais para Pavimentação 74 Estudo sobre Agregados Os agregados constituem mais de 90% em peso das diversas misturas usadas em pavimento e daí decorre a importância do seu estudo. Agregados - são materiais inertes, granulares, sem forma e dimensões definidas, com propriedades adequadas a compor camadas ou misturas para utilização nos mais diversos tipos de obras. São resultantes de rochas fragmentadas em britadores, seixos rolados encontrados nos leitos atuais e antigos dos rios, em jazidas provenientes de alterações de rochas e de escórias de alto forno. O seu emprego nos serviços de pavimentação destina-se a misturas betuminosas, concreto de cimento, bases de calçamento, lastros de obras e outras. 1. Classificação Por se tratar de um material que pode assumir formas e dimensões variadas, resultantes de feitos mecânicos naturais ou dos processos de britagem, e variarem ainda quanto às suas propriedades intrínsecas, herdadas da rocha-mãe de onde se originaram, os agregados podem ser classificados sob diversos aspectos: quanto à origem, forma, dimensões, massa específica aparente, etc. 1.1 – Quanto à origem naturais artificiais Agregados naturais - são aqueles utilizados como se encontram na natureza. Exemplos: cascalho, areia e pedregulho. Agregados artificiais - são aqueles que, para utilização, sofrem diversas operações, como britagem e classificação. Exemplos: pedra britada, pó de pedra, argila expandida, etc. Pedras Aspecto Propriedades Peso específico (kg/m 3 ) Absorção de água Resistência à compressão (kg/m 2 ) Resistência ao intemperismo Granito Granular, superfície áspera 2.660 < 0,5% 1.500 boa Diorito Granular, superfície áspera 2.800 < 0,5% 1.500 Regular Gabro granular 2.900 < 0,5% 1.800 Regular Sienito Granular, Superfície áspera 2.800 < 0,5% 1.500 Boa Diabásio Granular, superfície áspera 2.900 < 0,5% 2.000 Boa Basalto Granulação fina 3.000 < 1,0% 2.000 boa Gnaisse Minerais orientados 2.650 Muito variável 1.200 boa Calcário Granulação geralmente fina ou média variável Muito variável variável boa Quartzito Ligeiramente brilhante, áspero ou liso, branco 2.500 < 1,0 % 2.000 ótima Arenito Arenoso, superfície áspera ou lisa, conforme o cimento 2.500 Muito variável 1.000 Com cimento silicoso, boa. Quadro 1 – Rochas mais utilizadas para obtenção de agregados 3 - Materiais para Pavimentação 75 1.2 – Quanto a forma A forma das partículas de um agregado é um fator importante a definir suas propriedades e comportamento sob a ação do tráfego, porque formas indesejáveis (lamelares ou alongadas) podem ser a causa de certas anomalias, como a variação no teor de betume necessário em uma mesma mistura betuminosa, além do que, a presença de grãos de quebra mais fácil pode levar a uma alteração total da granulometria de um agregado, inutilizando todo o trabalho de controle realizado durante o projeto e a construção do pavimento. A forma ideal das partículas é a cúbica, que conduz a um maior entrosamento entre as mesmas e, consequentemente, a maior resistência ao cisalhamento e a uma menor área específica. As características ligadas a forma dos agregados são definidas pelo grau de arredondamento e grau de esfericidade. Grau de arredondamento - está ligado à resistência mecânica e à abrasão da rocha-mãe, bem como às solicitações das partículas ao longo do tempo. Assim, suas características podem ser: Angulosos: todos os cantos vivos e não indicam desgaste por abrasão. Subangulares: cantos mais suaves, a maior parte do agregado não sofreu abrasão. Subarredondados: cantos bem arredondados, superfície pouco sujeita a abrasão. Arredondados: aproximam-se da esfera, toda superfície já sofreu abrasão Grau de esfericidade - é a característica dos grãos de terem forma aproximada da esfera. Assim, suas características podem ser: Esferoidais: grãos que guardam certa simetria em relação ao centro e os que mais se aproximam da esfera. Achatados: grãos que possuem pequena espessura, assemelham-se a um disco. Prismáticos: tem dimensão predominante em relação as outras duas; assemelham-se a um bastão Lamelares: é o caso que mais deve chamar a atenção. A pedra lamelar é aquela em que a maior dimensão é superior a seis vezes a menor dimensão. Índice de forma de cada partícula – é a relação entre os seus tamanhos máximos e mínimos. Índice de forma do agregado (Ig) – é a média dos índices de forma das partículas. Ig 3 textura rugosa (o ideal) 3 < Ig 5 textura lisa Ig > 5 textura micácea O DNER tem, padronizado, um ensaio de cubicidade para avaliação da forma das partículas de um agregado (DNER - ME 86-64). 1.3 – Quanto ao tamanho das partículas. Intervalo entre as peneiras Nome 2” (50,8 mm) - no 10 (2,0 mm) Agregado graúdo No 10 (2,0 mm) – no 200 (0,074 mm) Agregado miúdo Passando na no 200 (0,074 mm) Filler ou material de enchimento Quadro 2 – Classificação quanto ao tamanho dos grãos 3 - Materiais para Pavimentação 76 Índices Físicos de um agregado As partículas de um agregado apresentam vazios ou poros de duas naturezas: permeáveis e impermeáveis. Por definição os vazios permeáveis são preenchidos por água, após imersão por 24 horas. Índices Físicos do agregado Relação a) Massa específica aparente úmida, dh dh = Pt / Vt b) Massa específica aparente seca, d d = Ps / Vt = dh /(1 + h) c) Massa específica aparente dos grãos, ga ga = Ps /(Vs+Vi+Vp) d) Massa específica real dos grãos, gr gr = Ps / (Vs + Vi ) e) Vazios do agregado mineral, VAM (%) VAM = (Vig /Vt)x100 f) Teor de umidade , h (%) h = (Pa /Ps)x100 Quadro 3 – Fórmulas para determinação dos Índices Físicos dos agregados Quando Va = Vp , o teor de umidade correspondente chama-se teor de umidade de absorção do agregado. O teor de umidade de absorção dos agregados miúdos pode chegar a 2%, enquanto nos agregados graúdos não ultrapassa a 0,2%. Quando um agregado é composto de frações com massas específicas dos grãos diferentes, a massa específica dos grãos será dada por: gm = ..... 100 2 2 1 1 g p g p A determinação desses índices obedecem a normalização da AASHO e DNER, conforme apresentado no quadro 4. Índice Método - Massa específica e absorção de agregado miúdo T84-60 (AASHO) - Massa específica e absorção de agregado graúdo T85-60 (AASHO) - Massa específica aparente de agregados T19-45 (AASHO) - Massa específica real de fillers DNER-ME 85-64 Quadro 4 - Normalização de ensaios para determinação de massas específicas Vs – Vol. de sólidos das partículas Vi – Vol. de vazios impermeáveis Vp – Volume de vazios permeáveis Vig – Vol. intergranular de vazios Va - Volume de água Vt – Volume total da amostra de agregado Ps – Peso seco das partículas do agregado Pa – Peso de água Pt – Peso total da amostra de agregado Pt = Pa + Ps gm – massa específica média dos grãos g1, g2, g3, ..... – massas específicas dos grãos das diferentes frações. p1, p2, p3, ..... – percentagens com que ocorrem estas frações. p1 + p2 + p3 +..... = 100 3 - Materiais para Pavimentação 77 4 - Resistência dos Agregados Quando integrantes de um pavimento, as partículas de um agregado estão sujeitas a um processo de degradação,não só pela abrasão direta do tráfego, como por movimentos recíprocos entre si e pela ação das intempéries. Há materiais, como certas rochas xistosas, que não suportam alguns ciclos de molhagem e secagem, degradando-se completamente, embora exijam o emprego de explosivos para sua extração. Certos materiais provenientes da alteração de rochas sofrem acentuadas modificações em sua granulometria após submetidos à ação do equipamento de compactação. O ideal é que os agregados mantenham as suas características durante a vida do projeto do pavimento e para isso existem vários ensaios com o objetivo de prever estas condições Ensaios Uso Abrasão Los Angeles DNER-ME 35-64 Abrasão – Máquina Deval França Impacto Page Brasil/EUA Tenacidade Treton Brasil/EUA Durabilidade DNER – ME 89-64 Esmagamento Inglaterra Quadro 5 – Ensaios de Resistência de agregados 4.1 - Ensaio de Abrasão Los Angeles - É o ensaio mais aceito no Brasil para determinar a resistência dos agregados. Consiste em submeter certa quantidade de agregado, obedecendo faixas granulométricas especificadas, a um misto de impactos e desgaste, quando colocada em um tambor de aço de 80 cm de diâmetro, com velocidade de giro controlada e submetido a ação abrasiva de uma carga de esferas de aço (Figura 2). Figura 2 – Esquema da máquina Los Angeles 3 - Materiais para Pavimentação 78 O ensaio é feito com material retido na peneira no 8. O material fino produzido durante o ensaio é definido como aquele que passa na peneira no 12 (#1,68 mm). Esse material expresso como porcentagem da amostra total, é a percentagem Los Angeles de desgaste (A%). Num contador instalado na própria máquina contam-se até 500 rotações do tambor, que gira à razão de 33 rotações por minuto, o que dá ao ensaio a duração média de 15 minutos. Após o número de rotações especificado, retira-se a amostra do tambor, passando o material na peneira no 12, pesando-se o material retido (mf). A diferença entre o peso inicial (mi) da amostra, e o peso final (mf) representa o desgaste sofrido pelo material no ensaio Los Angeles. A(%) = 100x m mm i fi As especificações indicam limites superiores para aceitação dos agregados: Misturas betuminosas: A 40% Brita ou pedregulho destinados a bases estabelecidas: A 50% Macadame hidráulico: A 50% As amostras de agregados a serem submetidas ao ensaio devem satisfazer a uma das faixas granulométricas apresentadas no Quadro 6. As faixas granulométricas descritas destinam-se a atender as especificações para camadas que exigem agregados para as mais diversas finalidades. Para cada uma dessas faixas, também se especifica um número de bolas de aço a fazer parte do material submetido à máquina Los Angeles. Peneiras Misturas (g) Passa (%) Retida (%) A B C D (mm) (pol) (mm) (pol) 38,10 1 ½ 25,40 1 1.250 - - - 25,40 1 19,10 ¾ 1.250 - - - 19,10 ¾ 12,70 ½ 1.250 2.500 - - 12,70 ½ 9,50 3/8 1.250 2.500 - - 9,50 3/8 6,35 N o 3 - - 2.500 - 6,35 N o 3 4,76 N o 4 - - 2.500 - 4,76 N o 4 2,38 N o 8 - - - 5.000 Totais 5.000 5.000 5.000 5.000 Peso das esferas de aço 5.000 25 4.584 25 3.330 25 2.500 25 Número de esferas de aço 12 11 8 6 Quadro 6 – Faixas de mistura para o ensaio de Abrasão Los Angeles. 5 – Granulometria dos Agregados Como no caso dos solos, há uma escala granulométrica para os agregados, conforme mostrado no item 1.3. 3 - Materiais para Pavimentação 79 Na tecnologia do concreto de cimento, a separação entre a fração areia e pedregulho é dada pela peneira no 4 (4,8 mm), sendo que a fração que passa na peneira no 200 é designada como material pulverulento. O cimento Portland, do ponto de vista granulométrico, é um filler. Muito usado na tecnologia de misturas betuminosas, além do pó-de-pedra e, eventualmente, pó calcário. Para o concreto cimento, esse material é considerado como aglutinante. Materiais como argilas são considerados como impurezas e devem ser retirados dos agregados. A análise granulométrica de agregados é feita de modo semelhante à dos solos sendo normalizada pela AASHO e DNER, abaixo: AASHO DNER T1160 - Determinação da percentagem passando na peneira no 200. T27-60 – Análise Granulométrica de agregados graúdos. T37-60 - Análise Granulométrica de Fillers Minerais. DPTM83-63 – Análise Granulométrica de Agregados Quadro 7 – Especificações para ensaios com agregados Pelo aspecto das curvas granulométricas pode-se avaliar o comportamento dos agregados. As curvas revelam dois tipos de granulometria: - Granulometria contínua Graduação densa Graduação aberta Graduação uniforme - Granulometria descontínua 5.1 - Granulometria contínua – estão presentes todos os tamanhos de partículas, a uniformidade na distribuição dos grãos favorece a misturas densas, pelo melhor entrosamento entre os grãos e o melhor preenchimento dos vazios. Na graduação densa os agregados são constituídos de frações de diâmetros que permitem fácil entrosamento. Nesse caso, além de uma maior resistência do conjunto, a estabilização pode ser feita com menores teores de aglutinante em comparação com agregados de graduação menos densa. Os agregados de graduação densa tem sua granulometria satisfazendo a equação: p = 100. D d n Na graduação aberta a curva granulométrica apresenta certa continuidade e falta de finos, identificada pela queda acentuada para a porcentagem 0% na parte final. Os agregados de graduação aberta obedecem à relação: p = 100. D d n p = % em peso passando na peneira de abertura d D – tamanho máximo do agregado n – expoente variando de 0,4 a 0,6 n < 0,4 – há excesso de finos n > 0,6 - há deficiência de finos n > 0,6 3 - Materiais para Pavimentação 80 Na graduação uniforme os agregados possuem tamanho máximo muito próximo do tamanho mínimo. Os agregados de graduação uniforme em que o tamanho mínimo está acima da peneira no 4 são chamados de agregado tipo macadame. A uniformidade do diâmetro dos grãos é uma condição exigida para determinados serviços na pavimentação, como para o agregado graúdo da base de macadame hidráulico e a primeira camada de agregado para tratamentos superficiais duplos e triplos. A granulometria destes agregados satisfaz a equação: p = 100. D d n Estes agregados podem, também, ser obtidos a partir de um agregado de granulometria densa ou aberta, pela eliminação da fração abaixo do tamanho mínimo desejado. O Coeficiente de curvatura (Cc) é uma outra forma de estimar a graduação dos agregados. Cc = 6010 2 30 DD D Diâmetro máximo ou efetivo - é o diâmetro da peneira onde ficam retidos até 10%, ou seja, onde passam de 90% a 100%. Diâmetro mínimo – é o diâmetro da peneira onde passam 5% ou menos. 5.2 - Granulometria descontínua - quando as diversas frações não se completam quanto à obtenção de uma mistura densa. 5.3 - Módulo de Finura (MF) – é um parâmetro granulométrico definido como o quociente da divisão por 100 da soma das percentagens retidas acumuladas nas peneiras de 3”, 1 ½”, ¾”, 3/8”, no 4, no 8, no 16, no 30, no 50, no 100. Este parâmetro é mais utilizado para caracterizar areias natecnologia do concreto de cimento. Módulo de Finura (MF) Granulometria < 2,40 2,40 – 3,90 3,90 Areia fina Areia média Areia grossa Quadro 8 – Faixas de variação do Módulo de Finura 5.4 - Bica corrida - material obtido pela britagem direta das rochas e colhido antes das peneiras classificadoras. Por extensão, chama-se “bica corrida selecionada” a bica corrida que é classificada em apenas uma peneira, ou seja, todo o material que passa nessa peneira. 5.5 – Classificação comercial das britas – No Brasil, os produtos de britagem, quando comercializados, são apresentados sob a forma de britas classificadas segundo uma numeração em ordem decrescente, correspondentes a diâmetros também decrescentes. Tipos Tamanhos (mm) Brita 3 Brita 2 Brita 1 Brita 0 Pó de pedra 19 – 50 9,5 – 38 4,8 – 19 2,4 – 9,5 inferior a 2,4 n > 0,4 D10 – diâmetro da peneira onde passam 30% D30 – Diâmetro da peneira onde passam 30% D60 – Diâmetro da peneira onde passam 60% 1 < Cc < 3 graduação densa Quadro 9 – Tipos de brita comercial e seus tamanhos máximo e mínimo. 3 - Materiais para Pavimentação 81 Para o concreto, a classificação é específica, incluindo-se o termo “pedra de mão” para britas com diâmetro maior que 76,2 mm (3”). Tipos Tamanho ( mm ) Pedra de mão Brita 3 Brita 2 Brita 1 Brita 0 Superior a 76,20 38,10 – 76,20 19,10 – 38,10 9,50 – 19,10 4,76 – 9,50 Quadro 10 – Classificação das britas para o concreto O Prof. Eládio G. R. Petrucci apresenta uma classificação mais detalhada com seis tipos de pedra britada. Tipos Tamanho (mm) Brita 5 Brita 4 Brita 3 Brita 2 Brita 1 Brita 0 100 – 76 76 – 50 50 – 25 25 – 19 19 – 9,5 9,5 – 4,8 Quadro 11 – Classificação do Prof. Eládio Petrucci 5.6 - Superfície específica do agregado – é a área das faces externas por metro cúbico. Sendo essas superfícies que entrarão em contato com os materiais aglutinantes, seu conhecimento permite uma previsão do consumo de betume. O Quadro 12 mostra as superfícies específicas em função dos diâmetros dos agregados. Diâmetro (mm) Superfície específica (m 2 /m 3 ) 76,2 – 152,4 38,1 – 76,2 19,1 – 38,1 9,5 – 19,1 4,76 – 9,5 2,38 – 4,76 1,19 – 2,38 0,59 – 1,19 0,297 – 0,59 0,149 – 0,297 53 105 210 420 840 1.680 3.360 6.670 13.300 26.670 Quadro 12 – Superfície específica dos agregados 5.6.1 – Superfície Específica em função da granulometria (SE) 1) Fórmula de DURIEZ. 100 x SE = 0,17 . G + 0,33 . g + 2,3 . S + 12 . s + 135 . F G = Fração retida entre as peneiras 20 e 10 mm g = “ “ “ “ “ 10 e 5 mm S = “ “ “ “ “ 5 e 0,315 mm s = “ “ “ “ “ 0,315 e 0,080 mm F = “ “ “ “ “ 0,080 e 0,050 mm 3 - Materiais para Pavimentação 82 2) Fórmula de VOGT 100 . SE = 0,07.P4 + 0,14.P3 + 0,33.P2 + 0,81.P1 + 2,7.S3 + 9,15.S2 + 21,9.S1 + 135.F P4 = Fração retida entre as peneiras 50 – 25 mm (2” – 1”) P3 = “ “ “ “ “ 25 – 12,5 mm (1” – ½”) P2 = “ “ “ “ “ 12,5 – 4,76 mm (1/2” – n o 4) P1 = “ “ “ “ “ 4,76 – 2,0 mm (n o 4 – no 10) S3 = “ “ “ “ “ 2,0 – 0,42 mm (n o 10 – no 40) S2 = “ “ “ “ “ 0,42 – 0,177 mm (n o 40 – no 80) S1 = “ “ “ “ “ 0,177 – 0,074 mm (n o 80 – no 200) F = Fração passando na peneira no 200 6 – Misturas graduadas A obtenção de um material dentro de uma determinada granulometria é feita através de diversos processos de cálculos, que visam estabelecer as porcentagens dos componentes que se encontram fora das especificações, a fim de obter uma mistura adequada. As especificações quanto a granulometria apresentam limites inferiores e superiores (quadro 13). Peneira % que passa Limites (Especificação) Média ¾” 100 100 ½” 80 - 100 90 3/8” 70 - 90 80 N o 4 55 - 73 64 N o 10 40 - 55 47,5 N o 40 20 - 30 25 N o 200 4 - 10 7 Quadro 13 – Exemplo de especificação A curva média de uma especificação é aquela que passa pelos pontos médios dos limites dessa especificação Figura 3 – Curvas limites de especificações granulométricas 3 - Materiais para Pavimentação 83 Existe um grande número de métodos para calcular as porcentagens em que devem ser misturados agregados, para se obter um produto que se enquadre nas especificações. Esses métodos, em síntese, permitem obter uma curva granulométrica resultante dentro da faixa especificada, partindo de materiais que, individualmente, não satisfazem à especificação dada. Dentre os diversos métodos veremos os seguintes: Algébrico ou Analítico Tentativas ou Aproximações sucessivas Gráfico de Rothfuchs 6.1 – Método Algébrico 6.1.1 – Caso de três materiais Chamamos ao primeiro material de 1, ao segundo de 2, e ao terceiro de 3. Assim, o material 1 (pedregulhoso) entra na mistura com X%; o material 2 (saibro ou areia) entra na mistura com Y% e o material 3 (solo argiloso) entra com Z%. Cada um desses materiais conterá uma certa quantidade de agregado grosso, fino e abaixo do tamanho # 200. Resta-nos escolher uma determinada granulometria para a mistura final, que conterá uma certa quantidade A de agregado grosso, uma B de agregado fino e uma quantidade C de agregado abaixo do tamanho #200. Organiza-se o quadro abaixo: Componentes Composição granulométrica (%) Especificação para a mistura (%) Material 1 Material 2 Material 3 Material retido na peneira n o 10 a b c A Material que passa na n o 10 e retido na n o 200 d e f B Material que passa na n o 200 g h i C Totais (%) 100 100 100 100 % de mistura x y z Estabelecem-se as seguintes equações : (1) X a + Y b + Z c = A (2) X d + Y e + Z f = B (3) X + Y + Z = 1 Z = 1 - (X + Y) - Substituindo Z em (1) e (2), e resolvendo as diversas operações algébricas, obtem-se as percentagens da mistura: X ; Y ; Z 2 – Caso de dois materiais. Componentes Material 1 Material 2 Material Estabilizado Agregado grosso a d A Agregado miúdo b e B Passando na # 200 c f C Totais 1 1 1 % de mistura X Y X a + Y d = A X + Y = 1 X = ad Ad Y = ad aA 3 - Materiais para Pavimentação 84 3 – Índice de Plasticidade da Mistura A – Caso de 3 materiais IP = 321 332211 ZFYFXF IZFIYFIXF B – Caso de 2 materiais. IP = 21 2211 YFXF IYFIXF Exemplo 1: Conhecidos os dados de ensaio e especificação na tabela a seguir, determine algebricamente as porcentagens X, Y e Z da mistura. Componentes Composição granulométrica Especificação (%) 1 2 3 Retido na # 10 70 30 20 50 Passa na #10 e retido na #200 25 20 40 30 Passa na #200 5 50 40 20 Totais (%) 100 100 100 100 % na mistura X Y Z 70.X + 30.Y + 20.Z = 50 25.X + 20.Y + 40.Z = 30 X + Y + Z = 1 Verificação:as porcentagens da mistura calculada devem satisfazer à especificação correspondente a cada fração. 0,588x70 + 0,059x30 + 0,353x20 = 49,99 OK !! 0,588x25 + 0,059x20 + 0,353x40 = 30 OK !! 0,588x 5 + 0,059x50 + 0,353x40 = 20,01 OK !! Conclusão: A mistura será constituída de X = 58,8% do material 1 Y = 5,9% do material 2 Z = 35,3% do material 3 IP – Índice de plasticidade resultante da mistura X - porcentagem do material 1 na mistura F1 – porcentagem de material 1 passando na # 40. I1 - Índice de plasticidade do material 1. Y – porcentagem do material 2 na mistura. F2 – porcentagem de material 2 passando na # 40. I2 – índice de plasticidade do material 2. Z – porcentagem do material 3 na mistura F3 – porcentagem do material 3 passando na # 40 I3 – Índice de plasticidade do material 3. X = 0,588 Y = 0,059 Z = 0,353
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