Pavimentação Unidade VI Mistura Betuminosa

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5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 119 
1. Princípios fundamentais da dosagem de um concreto asfáltico 
 
 A dosagem de um concreto betuminoso destina-se a determinar as proporções 
de agregado graúdo, agregado fino, filler e betume. O cimento asfáltico e os 
agregados exercem diferentes funções para suportar as cargas impostas pelo tráfego 
na superfície do pavimento. A função do agregado é basicamente formar um esqueleto 
ou arcabouço que resista as cargas por roda, e a função do ligante betuminoso é, 
preliminarmente, manter as partículas de agregado unidas ou cimentadas, 
aumentando deste modo a resistencia ao movimento, de modo acentuado. O cimento 
asfáltico também exerce a função de impermeabilizar a mistura e, deste modo, evitar 
que a água penetre e vá atingir a base, modificando as condições de equilíbrio 
umidade densidade desta base. 
 No projeto de um concreto betuminoso, considera-se os seguintes pontos: 
 
a) Teor de vazios da mistura compactada 
 
Quando se tem uma mistura compactada 
de agregado, as partículas ficam em contacto 
umas com as outras e entre elas existem 
espaços vazios, chamados de “teor de vazios 
do agregado mineral”, figura 1. 
 
Quando se junta o betume, para manter 
unidas as partículas do agregado na estrutura 
formada, aquele não só envolve as 
partículas, formando uma espécie de película 
fina, como também enche parcialmente os 
espaços vazios entre as partículas, deixando 
vazios cheios com ar, que são os “vazios da 
mistura”, ver Figura 2. 
 
É de grande importância o teor de 
vazios da mistura, que é usualmente expresso 
em porcentagem do volume total da mistura 
compactada. 
Quando existe excesso de asfalto em tal 
volume que as partículas individuais do 
agregado percam contato entre si, elas passam 
a “flutuar” no asfalto, e o arcabouço formado 
pelo agregado é destruído, deste modo o 
revestimento de concreto asfáltico não irá 
suportar bem as cargas impostas pelo tráfego. 
Pode parecer que o ideal fosse que o asfalto 
enchesse totalmente os vazios do agregado mineral, para que tivesse melhor 
resultado. Considerando, no entanto, que o asfalto tende a expandir-se com o 
aumento da temperatura, qualquer aumento de temperatura iria provocar, nesse caso, 
afluência de asfalto à superfície, ou seja, haveria exsudação prejudicial, com 
conseqüente redução da resistencia. Desta maneira, é necessário deixar-se na 
mistura um “teor de vazios”, que varia de 3 a 5% para as camadas de desgaste 
(revestimento) e 3 a 8% para as camadas de ligação (binder), após compactação. O 
valor mínimo assegura a condição de não haver a afluência do betume devido a 
expansão resultante do aumento de temperatura. Por outro lado, a necessidade de 
fixar o valor máximo resulta do fato de que um valor grande de teor de vazios da 
Figura 1 
Vazios da mistura 
Figura 2 
Vazios do agregado mineral 
5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 120 
mistura compactada pode resultar num rápido endurecimento e oxidação do asfalto, e 
conseqüente deterioração, quando a mistura estiver exposta às condições ambientes 
de tempo e uso. Isto trará como conseqüência, uma desintegração do asfalto, 
permitindo absorção da água que irá paulatinamente destruir a mistura, principalmente 
em lugares sujeitos a invernos rigorosos. 
 
b) Grau de compactação 
 
As misturas de concreto asfáltico, para terem boa resistencia, devem ser 
compactadas convenientemente. O aumento da energia de compactação de uma 
mistura asfaltica traz como conseqüência a aproximação das partículas, reduzindo 
deste modo o volume de vazios de ar, e um aumento do peso específico, resultante 
da diminuição de volume da mistura. Uma compactação leve faz com que a mistura 
fique com um teor elevado de vazios de ar e pequeno peso específico, refletindo-se na 
durabilidade e estabilidade da mistura que, deste modo, serão baixas. Vê-se, portanto, 
que a resistencia de um concreto asfáltico fica ligada diretamente ao grau de 
compactação que se obtenha. Para que um revestimento de concreto asfáltico seja 
estável, é necessário que seja bem compactado. No campo, a compactação é obtida 
por meio de equipamento próprio, como rolos lisos e rolos pneumáticos, até que se 
atinja o grau de compactação exigida pelas especificações. 
 
2. Grandezas que intervem na caracterização e dosagem da mistura 
 
2.1 - Agregados 
 
A) Densidade real dos grãos (D): É a relação entre a massa ao ar de um dado 
volume de material, a uma dada temperatura, e a massa ao ar de igual volume de 
água à mesma temperatura. 
Pode ser determinada pelo processo do Picnômetro e, no caso de agregados, 
corresponde à densidade dos grãos, sem vazios, não se levando em conta os vazios 
intersticiais. Na figura abaixo temos: 
 
 
 
 
 
 
 
(a) m1 = massa do picnômetro vazio (tara) 
(b) m2 = massa do picnômetro cheio com água até o menisco 
(c) m3 = massa do picnômetro contendo a amostra 
(d) m4 = massa do picnômetro contendo a amostra e cheio de água até o menisco 
 
m = massa da amostra = m3 – m1 
m2 – m1 = massa de água que preenche o picnômetro, cujo valor equivale ao volume 
de água ( w = 1,0) 
m4 – m3 = massa de água (igual volume) não deslocada pela própria amostra; 
(m2 – m1) – (m4 – m3) = volume da água deslocada pela amostra = volume da amostra. 
D = densidade real do material 
D = 
3412
13
mmmm
mm
 
Figura 3 
5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 121 
B) Massa específica aparente (d) das frações de agregado: É a relação entre a massa 
de determinada porção de agregado e o volume ocupado pelo mesmo, nas condições 
de compactação e adensamento em que se encontram. 
 
 d = 
V
mS
 
mS = massa de sólidos da amostra compactada 
V = Volume total (medido após compactação do c.pc.) 
 
Determinação do volume, V: 
 - Por medida direta com Paquímetro (Vol. Geométrico): V = 
h
4
2 
- Por imersão na água (balança hidrostática): d = 
d
a
V
m
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
d = 
ia
a
mm
m
 
 
 
Vd = ma – mi = volume de água deslocada 
ma – massa do agregado ao ar 
mi – massa do agregado imerso 
 
 
C) Percentagem de vazios dos agregados (porosidade) 
 
(%)V = 
T
v
V
V
 
Vv – Volume de vazios 
VT – Volume total da porção de agregados 
 
 
(%)V = 
100
D
dD
 
 
 
D – Densidade real dos grãos 
d – massa especifica aparente 
Princípio de Arquimedes: Todo corpo 
imerso em um fluido sofre um empuxo, de 
baixo para cima, igual ao peso da água 
deslocada. 
Figura 4 
5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 122 
2.2 – Misturas compactadas 
 
Um corpo de prova compactado contendo agregados, betume e ar apresenta-
se separadamente em fases distintas (figura 5). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 5 – Fases de uma mistura betuminosa 
Nomenclatura: 
 
mb – massa de betume 
mf – massa de filler 
magf – massa de agregado fino 
magg – massa de agregado grosso 
mT – massa total da mistura 
 
Vv – volume de vazios da mistura 
VB – volume de betume 
Vf – volume de filler 
Vagf – volume de agregado fino 
Vagg – volume de agregado grosso 
Vc – volume de cheios 
VT – volume total da mistura 
 
2.2.1 – Densidade máxima teórica da mistura 
 
D = 
agfaggFB D
Agf
D
Agg
D
F
D
B %%%%
100 
 
 
 
 
2.2.2 – Massa específica aparente da mistura 
 
d = 
T
T
V
m
 
d = 
ia
a
mm
m
 
 
 
2.2.3 – Percentagem de vazios da mistura compactada (vazios não preenchidos) 
 
Vv = 
T
V
V
V
.100 ou (%)V = 
D
dD
.100 
 
 
%B – teor de betume 
%F – percentagem de filler 
%Agg – percentagem de agregado grosso 
%Agf – percentagem de agregado fino 
DB – densidade do betume 
DF – densidade dofiller 
Dagg – densidade do agregado grosso 
Dagf – densidade do agregado fino 
ma – massa do c.p. da mistura compactada 
mi – massa do c.p. após imersão 
ma – mi = volume deslocado (empuxo hidrostático) 
5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 123 
 
2.2.4 – Percentagem de vazios cheios de betume (VCB) 
 
VCB = 
T
b
V
V
. 100 ou (%)VCB = 
BD
Bd %
 
 
2.2.5 – Vazios do agregado mineral 
 
 
(%)VAM = (%)V + (%)VCB 
 
 
2.2.6 - Relação betume x vazios (RBV) 
 
 
(%) RBV = 
100
(%)
(%)
VAM
VCB
 
 
 
3. Fluência ou deformação plástica 
 
É a deformação que o corpo de prova sofre antes da ruptura. 
A análise do comportamento da mistura compactada com teores de betume 
diferentes, mantendo-se a energia de compactação, durante a aplicação da carga 
pode ser feita através da relação betume x VAM 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A curva mostra que variando-se o teor de betume é possível avaliar as 
variações que ocorrem nos vazios do agregado mineral. Assim, podemos destacar três 
situações ou zonas: 
 
ZONA A: Para as primeiras misturas com baixos teores de betume, os vazios do 
agregado mineral aumentam, porque o betume em pequenas porções não tem 
condição de “molhar” completamente os grãos, razão porque durante a compressão 
eles não encontram facilidade para se entrosarem ocupando os vazios existentes. 
Nesta fase, as partículas se separam e o VAM aumenta até um máximo. 
 
ZONA B: Aumentando-se o teor de betume e mantendo-se a energia de compactação, 
verifica-se que os vazios do agregado mineral diminuem. É que se atingiu os teores de 
betume que permitem o envolvimento completo dos grãos de agregado facilitando, 
Valor inicial 
de vazios Figura 6 
5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 124 
com a compressão, o acomodamento das partículas que vão se entrosando e 
reduzindo os vazios ocupados pelo ar. Assim, o VAM passa a cair, porque a 
espessura das películas é tal que passa a servir como lubrificante. O aumento do 
betume provoca a diminuição do VAM até um mínimo. 
 
ZONA C: Continuando a aumentar o teor de betume, mantendo-se a energia de 
compactação, verifica-se que os vazios do agregado mineral voltam a aumentar. É 
que já tendo sido empregado betume suficiente para “molhar” todos os agregados, o 
aumento do teor contribui apenas para aumentar a espessura do filme de ligante entre 
os grãos, e os separa mais ainda, sem melhorar as condições de entrosamento. 
 
Conclusão 
 
a) As misturas correspondentes a 1a fase (Zona A) possuem ligantes insuficientes e 
são consideradas misturas pobres. O revestimento tem pouca durabilidade, é 
permeável, sujeito a fissuração e sem resistência ao desgaste superficial. A passagem 
do tráfego deve provocar a desagregação da mistura e a degeneração do pavimento 
em pouco tempo. 
b) As misturas correspondentes a 3a fase (Zona C) possuem excesso de ligantes e 
são consideradas misturas ricas. Devem provocar deformações no revestimento, 
ocorrendo a exsudação do betume com a passagem do tráfego e, também, pela sua 
expansão devido o aumento da temperatura ambiente, tornando a superfície de 
rolamento escorregadia, principalmente nos dias de chuva. Vários aditivos tem sido 
usados para reduzir este inconveniente, mas os resultados não foram animadores. 
c) As misturas correspondentes à 2a fase (Zona B) devem satisfazer às especificações 
e dar à mistura condições de estabilidade e resistência e ainda deixar uma pequena 
percentagem de vazios, para evitar a exsudação com a passagem do tráfego. Os 
vazios do agregado mineral atingem, nessa zona B, um valor mínimo, ao redor do qual 
deverá estar o teor ótimo de betume. 
 
4. MÉTODOS DE ENSAIOS DE MISTURAS BETUMINOSAS 
 
Os principais métodos utilizados para a obtenção do teor ótimo de betume, 
para uma determinada mistura de agregados, são : 
 Marshall 
 Triaxial Smith 
 Compressão Simples (LCPC) 
 Compressão Diametral (DNER) 
 Hveen 
 Hubbard – Field 
 
4.1 – Método de Estabilidade Marshall ou do U.S.Corps of Engineers 
 
 O U.S. Corps of Engineers adotou o equipamento e o método de projeto de 
misturas betuminosas concebido por Bruce Marshall, do Mississipi State Highway 
Departament, para solucionar um importante problema do projeto e construção de 
aeroportos militares durante a 2a Guerra Mundial. 
 A utilização do método se limita a misturas betuminosas a quente, utilizado 
cimentos asfálticos de petróleo de penetração compatíveis com as condições 
ambientais. O agregado utilizado deve ter diâmetro efetivo de pelo menos 1 polegada 
(25,4 mm). Assim, a não ser que outras condições prevaleçam, os ensaios devem ficar 
limitados às condições estabelecidas para os produtos resultantes do método 
desenvolvido pelo U.S. Corps. 
5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 125 
 Por exemplo, para haver equilíbrio entre estabilidade e durabilidade foi fixado 
que os vazios correspondentes ao ar (vazios não preenchidos) na mistura total seriam 
limitados entre 3% e 5%, em peso. Para os vazios preenchidos de betume, foram 
fixados os limites entre 75% e 85% dos vazios do agregado mineral. 
 
4.1.1 - Equipamentos 
 
a) Aparelho Marshall: máquina para aplicação de 
carga vertical, cuja capacidade seja de 2.720 
kgf (6.000 lb), possui dispositivo (extensômetro) 
para medir a carga. 
b) Molde: constituído de duas seções de mesmo 
diâmetro interno 4” (10,16 cm) e respectiva 
base; altura 2 ½” (6,35 cm) 
c) Soquete: Peso igual a 10 lb (4,54 kg); altura de 
queda 18 pol. (45,72 cm) 
d) Medidor de fluência: mede as deformações do 
c.p. cuja escala é dividida em 0,01” (0,254 mm) 
 
4.1.2 - Preparação do corpo de prova 
 
 Agregados e betume aquecidos na temperatura especificada e misturados em 
moinho próprio. 
 Mistura colocada no molde aquecido e compactada: 
- 35 a 50 golpes em cada face: condições normais (tráfego leve) 
- 50 a 75 golpes em cada face: Tráfego médio 
- 75 a 100 golpes em cada face: Tráfego pesado e muito pesado 
 Moldam-se 2 c.p. para cada teor de betume 
 Após moldagem, pesa-se e determina-se o volume do c.p. (por medida direta 
e/ou por imersão) para determinação da massa específica aparente da mistura. 
 Colocam-se os c.p. em banho Maria a 60oC (140oF), por 20 minutos a 1 hora. 
 
4.1.3 – Execução do ensaio 
 À temperatura de 
60oC, os c.p. são 
submetidos a 
compressão 
diametral na prensa 
do Aparelho 
Marshall. A carga é 
aplicada com 
velocidade de 2” 
(50,8 mm/min) até a 
ruptura da amostra. 
 A carga máxima 
que leva a ruptura é 
chamada de Valor 
de Estabilidade 
Marshall. 
 A deformação sofrida pelo c.p. durante a aplicação da carga é medida pelo 
medidor de fluência 
 
 
Figura 7 
5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 126 
 
4.1.4 – Resultados 
 Registra-se na ficha de ensaio os valores da carga máxima e fluência, na 
ruptura do c.p. (Quadro 1) 
 Traçam-se os gráficos das variações das grandezas, em função das variações 
dos teores de betume : 
- Estabilidade Marshall P (kgf) 
- Vazios não preenchidos (%V) 
- Relação betume x vazios (%RBV) 
- Densidades máximas teóricas (D) 
- Fluência (f) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Determinação do teor ótimo de Betume. 
 
a) Teor para máxima densidade teórica: B1 
b) Teor para máxima estabilidade Marshall: B2 
c) Teor para a média do intervalo especificado para os vazios não preenchidos: B3 
d) Teor para a média do intervalo especificado para os vazios preenchidos: B4 
e) Média dos valores: (%)
B
 = 
4
4321 BBBB
 
f) Verificar se o valor de (%)
B
 satisfaz as duas condições abaixo: 
 
 Estabilidade Marshall acima do mínimo especificado 
 Fluência abaixo do máximo especificado 
h) Satisfeita as duas condiçõesacima, o teor de betume (%)
B
, em peso, deverá ser 
comunicado à usina para a respectiva calibração da bomba de betume. 
 
Figura 8 
5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 127 
 
Traço da mistura: Betume + Agregados = 100% 
 
Por exemplo: Agregados (54% Pedregulho+ 38%Areia + 8% filler) e Betume = 6% 
 
O traço da mistura na Usina, em peso, será: 
 
Agregados: 100 – 6 = 94% 
 TRAÇO 
Pedregulho : 0,94x 54 50,76 % 
Areia : 0,94 x 38 35,72 % 
Filler : 0,94 x 8 7,52 % 
Betume: 6,0 % 
Total 100,0 % 
 
 
 
4.1.6 – Especificações (DNER) 
 
Características recomendadas para Estradas e Aeroportos. 
 
Determinações Critério - Pressão dos 
pneus 
7 kgf/cm
2
 14 kgf/cm
2
 
Estabilidade Marshall (kgf) 225 450 
Deformação plástica (0,01 pol) 20 16 
Porcentagem de vazios não preenchidos (%V) 
a) Concreto asfáltico 3 – 5 3 – 5 
b) Areia-asfalto 5 – 7 6 – 8 
c) Binder 4 – 6 5 – 7 
Percentagem de vazios preenchidos em 
materiais betuminosos (%RBV) 
 
a) Concreto asfáltico 75 - 85 75 –82 
b) Areia-asfalto 65 – 75 65 –72 
c) Binder 65 - 75 65 - 72 
 
Resultados de ensaios: limites sugeridos para misturas betuminosas 
 
 
Ensaio 
Marshall 
Tráfego 
Pesado e muito 
pesado 
Médio Leve 
Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo 
N
o
 de golpes em 
cada face do c.p. 
 
75 
 
 
 
50 
 
35 
 
Estabilidade 
(lb) 
750 500 500 
Fluência (0,01”) 8 16 8 10 8 20 
Vazios (%) 3 5 3 5 3 5 
RBV (%) 75 82 75 85 75 85 
 
 
 
 
 
 
5 – MATERIAIS BETUMINOSOS 
 
 128 
 
Exercício de aplicação : Um c.p. de mistura betuminosa foi submetido ao ensaio de 
estabilidade Marshall, onde são conhecidos os seguintes dados: 
Teor de betume = 5% ; densidade do betume = 1,0 
Massa específica aparente da mistura = 2,23 g/cm3 
Agregado A: 38% ; densidade = 2,66 g/cm3 
Agregado B: 62% ; densidade = 2,68 g/cm3 
Estabilidade do c.p. = 440 kgf 
Fluência do c.p. = 8,3 mm 
Determinar: 
a) qual o traço da mistura; 
b) a densidade máxima teórica da mistura; 
c) o volume de vazios; 
d) o volume cheio com betume; 
e) os vazios do agregado mineral; 
f) a relação betume vazios 
g) verificar se a mistura atende a especificação; 
 
 
RESOLUÇÃO: 
- Traço da mistura 
 
Mistura betuminosa Agregados + betume = 100% 
 %A + %B + 5% = 100% 
%A = 0,95 x 38 = 36,1% 
%B = 0,95 x 62 = 58,9% 
 
 Traço: Agregado A = 36,1% ; Agregado B = 58,9% ; Teor de betume = 5% 
 
- Densidade máxima teórica: D = 
BAB D
BAg
D
AAg
d
B .%.%%
100
 
D = 
68,2
9,58
66,2
1,36
0,1
5
100
 D = 2,43 g/cm3 
 
- Vol. de vazios da mistura: %VV = 
100
D
dD
 = 
100
43,2
23,243,2
 %VV = 8,2% 
 
- Vol. cheio com betume: %VCB = 
B
o
o
d
d B
 = 
0,1
523,2
 %VCB = 11,15% 
 
- Vazios do agregado mineral: %VAM = %VV + %VCB %VAM = 19,35% 
 
- Relação betume vazios: %RBV = 
100
%
%
VAM
VCB
 = 
100
35,19
15,11
 %RBV = 57,6% 
 
- O c.p. não atende a especificação no que se refere a %VV e %RBV. A mistura 
apresenta muitos vazios e pouco betume. 
Especificação para a mistura: 
 
Estabilidade mínima: 350 kgf 
Fluência: 6 – 14 mm 
%Vv = 3 a 6 % 
%RBV = 75 a 85%