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AULA 4 – CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS Os agregados são muito importantes na composição das misturas asfálticas, pois correspondem à aproximadamente 77% de seu volume e 94% de seu peso. Quanto à origem, os agregados podem ser: (a) Naturais (seixo rolado, areia de rio, areia de campo, etc.); (b) Processados (britagem de rocha ou seixo rolado); (c) Sintéticos ou artificiais (escória de alto forno e argila expandida); (d) Revestimento fresado (reaproveitamento de materiais de revestimentos destruídos ou recuperados); tem se tornado uma fonte importante de agregado, contribuindo para minimizar o prejuízo ambiental que é causado por este tipo de resíduo. Os agregados são classificados quanto ao tamanho de suas partículas da seguinte forma: (a) Agregado graúdo: aquele que passa na peneira com abertura de 2” (50,8 mm) e fica retido na peneira Nº 10 (2,0 mm); (b) Agregado miúdo: material que passa na peneira Nº 10 (2,0 mm) e fica retido na peneira Nº 200 (0,075 mm); e (c) Agregado de enchimento ou material de enchimento (fíler): material que passa pelo menos 65% na peneira Nº 200 (0,075 mm). Exemplos de fíleres são: cal extinta, cimento Portland, pó de chaminé, etc. Costuma-se chamar de fino o agregado miúdo juntamente com o fíler, isto é, o material que passa na peneira Nº 10 (2,0 mm). A escolha dos agregados utilizados no projeto da mistura asfáltica deve levar em consideração, além da qualidade do material, a viabilidade econômica do mesmo. As características tecnológicas discutidas a seguir permitem a distinção dos agregados e a escolha adequada dos materiais capazes de resistir às cargas as quais o pavimento será submetido. As principais características dos agregados que devem ser levadas em consideração nos serviços de pavimentação são: (1) Granulometria (agregados graúdo e miúdo) (2) Forma (agregado graúdo) (3) Absorção de água (porosidade) (agregado graúdo) (4) Resistência ao choque e ao desgaste (agregado graúdo) (5) Durabilidade (sanidade) (agregado graúdo) (6) Limpeza (equivalente de areia) (agregado miúdo) (7) Adesividade aos produtos asfálticos (agregados graúdo e miúdo) (8) Massa específica aparente (agregados graúdo e miúdo) (9) Densidade real e aparente do grão (agregados graúdo e miúdo) Para caracterizar-se corretamente os agregados é necessário que se observe a representatividade da amostra ensaiada. A amostra total deve ser misturada e quarteada através do quarteador de amostras ou do quarteamento manual: - Quarteador de amostras: a amostra é passada pelo quarteador de amostras (Figura 1) para torná-la, o máximo possível, homogênea (DNER DPT I 1-64 / NBR 7216). Recolhe-se a amostra dividida em dois recipientes. O agregado de um dos recipientes é separado e, o outro, é então passado novamente no quarteador, sendo dividido em duas porções. O procedimento é realizado até se obter a quantidade desejada em um dos recipientes. - Quarteamento manual: os agregados são colocados em um monte em forma de cone, que é transformado em um tronco de cone com o auxílio de uma pá de achatamento. O tronco de cone é dividido diametralmente em quatro partes aproximadamente iguais. Duas partes opostas de agregados são tomadas e misturadas. Esta operação é repetida até se obter a quantidade de material desejada para os ensaios de caracterização. Figura 1. Quarteador de amostras Granulometria (ME 083/94) O ensaio de granulometria determina a distribuição percentual dos diferentes tamanhos dos grãos do agregado. É representada pela curva de distribuição granulométrica (porcentagem de material passando na peneira em questão × log do diâmetro da abertura da peneira). A granulometria afeta quase todas as propriedades importantes de uma mistura asfáltica, dentre elas: rigidez, estabilidade, durabilidade, permeabilidade, trabalhabilidade, resistência à fadiga, resistência à fricção e resistência a danos por umidade. Um exemplo de curva de distribuição granulométrica é apresentado na Figura 2. A seqüência de peneiras usualmente utilizadas neste ensaio está listada na Tabela 1. Tabela 1: Peneiras usualmente utilizadas Número 2” 1 ½” 1” ¾” 3/8” Nº 4 Nº10 Nº40 Nº100 Nº200 Abertura (mm) 50,8 38,1 25,4 19,1 9,5 4,8 2,09 0,42 0,15 0,075 Figura 2. Exemplo de curva de distribuição granulométrica Para a realização deste ensaio, a amostra é seca em estufa, e posteriormente pesada e passada em uma série de peneiras padronizadas (Figura 3a). Os agregados podem ser peneirados manualmente ou com a utilização de um peneirador mecânico (Figura 3b). A distribuição dos diferentes tamanhos dos grãos é calculada através da comparação entre o material retido em cada peneira e o total da amostra ensaiada. (a) (b) Figura 3. Peneiras da série de peneiras normais e peneirador mecânico 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,10 1,00 10,00 100,00 Peneiras (log) % P as sa nd o Eixo de Projeto Limites da faixa Tolerância do projeto A Tabela 2 apresenta os limites das faixas granulométricas do DNER (ES 313/97) bem como duas faixas utilizadas em capas (Faixa 3) e binder (Faixa 7) de obras aeroportuárias. Tabela 2: Distribuição granulométrica dos agregados % Passando DNER Aeronáutica Peneira Faixa A Faixa B Faixa C Faixa 3 Faixa 7 2” 100 - - - - 1 ½” 95 – 100 100 - - - 1" 75 – 100 95 – 100 - - 100 3/4" 60 – 90 80 – 100 100 100 72 – 96 1/2" - - 85 – 100 80 – 98 61 – 89 3/8" 35 – 65 45 – 80 75 – 100 - - No. 4 25 – 50 28 – 60 50 – 85 55 – 80 38 – 66 No. 10 20 – 40 20 – 45 30 – 75 40 – 66 25 – 50 No. 40 10 – 30 10 – 32 15 – 40 22 – 40 12 – 28 No. 80 5 – 20 8 – 20 8 – 30 12 – 26 7 – 18 No. 200 1 – 8 3 – 8 5 – 10 3 – 8 3 – 7 Teoricamente, pareceria razoável que a melhor graduação para os agregados nas misturas asfálticas fosse aquela que fornecesse a graduação mais densa. A graduação com maior densidade acarreta numa superior estabilidade através de um maior contato entre as partículas e reduzidos vazios no agregado mineral. Porém, é necessário a existência de um espaço de vazios tal que permita um volume suficiente de ligante ser incorporado. Isto garante durabilidade e ainda permite algum volume de vazios na mistura para evitar exsudação. Forma e textura (ME 086/94) O ensaio de cubicidade tem por finalidade medir a forma do grão nos agregados graúdos. Depois de realizada a análise granulométrica do material, os agregados passam por crivos redutores de aberturas diferentes (Figura 4) e o material retido em cada crivo é pesado. Para cada fração que compõe a graduação determinam-se, em relação a seu peso inicial, as percentagens retidas em cada crivo redutor. O índice de forma, que varia de 0 a 1, é calculado pela expressão: n100 P5,0Pf 21 += onde: - f = índice de forma; - P1 = soma das percentagens retidas no crivo 1, de todas as frações que compõem a graduação; - P2 = soma das percentagens retidas no crivo 2, de todas as frações que compõem a graduação; - n = número de frações que compõem a graduação escolhida. Quando f = 1, diz-se que o agregado é de ótima cubicidade. Quando f = 0, o agregado é lamelar (achatado ou alongado). As especificações exigem um f ≥ 0,50 para que o agregado passe no teste de forma. O resultado do ensaio possui grande influência sobre a estabilidade da mistura asfáltica, pois os agregados lamelares são facilmente quebrados pela ação do tráfego, dando origem à formação acelerada de “panelas” na pista da rodovia. Prefere-se utilizar agregados de textura rugosa e arestas vivas (cúbicas), pois os mesmos tendem adesenvolver mais atrito interno e melhor adesividade. Um bom agregado é livre de partículas muito alongadas, lamelares, achatadas e arredondadas. Figura 4. Crivos Resistência ao choque e ao desgaste (ME 035/94) Esta é uma propriedade relacionada apenas ao agregado graúdo que deve resistir ao choque e ao desgaste por atrito entre as partículas. Esta resistência é avaliada pelo ensaio de abrasão “Los Angeles”. Neste ensaio, a amostra é pesada e colocada dentro do tambor da máquina Los Angeles (Figura 5) juntamente com a carga abrasiva. A carga abrasiva é diretamente proporcional ao número de esferas de aço que são colocadas junto com a amostra dentro da máquina Los Angeles e é função da graduação da amostra. O tambor da máquina realiza 500 revoluções a uma velocidade de 30 a 33 rpm. O material retirado do tambor é passado na peneira de 1,7 mm e o peso dos grãos nela retidos são anotados. O desgaste do agregado por abrasão é dado por: 100 P 'PP A n nn n ×−= onde: - An = desgaste do agregado por abrasão, ensaiado na graduação n, com aproximação de 1%; - n = graduação (A, B, C ou D), escolhida para o ensaio; - Pn = peso total da amostra seca, antes do ensaio; - P’n = peso do material retido na peneira de 1,7 mm, após o ensaio. A dureza de um determinado agregado é função do tipo de rocha da qual o agregado é proveniente. O agregado deve possuir dureza suficiente para resistir a degradação provocada pelos equipamentos de compactação, durante a construção do pavimento, e pela ação do tráfego e clima da região, durante a sua vida útil. Figura 5. Equipamento “Los Angeles” e esferas Durabilidade (Sanidade) (ME 089/94) Este ensaio avalia a durabilidade dos agregados à desintegração química. No ensaio, o agregado é imerso em uma solução padronizada de sulfato de sódio (SO4Na2) ou de magnésio (SO4Mg2) por um período de 16 a 18 horas a 21 °C (±1 °C). Após o período de imersão a amostra é retirada da solução e colocada para secar a uma temperatura entre 105 °C e 110 °C. Depois da secagem a amostra é esfriada até a temperatura ambiente. O processo de imersão e secagem constitui um ciclo, que deve ser repetido até que o número desejado seja completado (5 ciclos em geral). Os resultados deste ensaio são decorrentes de exames quantitativos e qualitativos, tais como: (1) Porcentagem em peso de cada fração da amostra que, após o ensaio, passa através da peneira na qual a fração foi originalmente retida; (2) Média ponderada calculada em função da porcentagem de perda de cada fração e com base na granulometria da amostra ou, de preferência, na granulometria da porção do material da qual a amostra é representativa. O resultado é dado como perda em peso, que deve ser menor ou igual a 12%; (3) Número de partículas maiores de 19 mm do ensaio, após; o ensaio quantas foram afetadas e como foram (desintegração, fendilhamento, esmagamento, quebra, laminagem, etc.). Limpeza (Equivalente de Areia) (ME 054/94) Os agregados devem encontrar-se livres de materiais como argila, matéria orgânica, pó, silte, etc., pois, em contato com estes, a adesão com o ligante fica prejudicada. Os materiais plásticos, também, provocam retração e inchamento, fenômenos indesejáveis. A limpeza de um agregado é determinada através do ensaio de equivalente de areia, que verifica a presença de material plástico no agregado. Neste ensaio, o agregado passando na peneira No. 4 é colocado, juntamente com uma solução de trabalho (diluição de 125 ml da solução concentrada em água destilada), em uma proveta graduada. A proveta é agitada (Figura 6) por 30 segundos e colocada para descansar durante 20 minutos. Determina-se o nível superior das suspensões argilosa (h1) e da areia (h2). A altura h1 do floculado é lida com uma régua graduada, enquanto a altura h2 do material depositado é obtida com um pistão padronizado introduzido na proveta. O equivalente de areia é calculado da seguinte forma: 100 h hEA 1 2 ×= O equivalente de areia deve ser superior ou igual a 55% para que o agregado miúdo possa ser utilizado em misturas betuminosas. Figura 6. Agitador para realização do ensaio de equivalente de areia Adesividade aos produtos asfálticos (ME 078/94 e ME 079/94) Esta propriedade é importante para que não haja deslocamento da película betuminosa pela ação da água. Quanto mais secas, limpas e aquecidas estiverem as partículas, mais adesividade ao ligante elas terão. Para a realização deste ensaio o agregado é envolvido pelo ligante e colocado sobre uma superfície lisa, para que o ligante esfrie (Figura 7). Para o agregado graúdo, a mistura (500 g de agregado entre as peneiras ¾” e ½” com 17,5 g de asfalto com e sem o dope) é colocada em um frasco de vidro e recoberta com água destilada. O frasco é colocado na estufa a 40 °C. Após 72 horas verifica-se o recobrimento do ligante sobre o agregado. Caso não exista deslocamento da película de ligante, o agregado possui boa adesividade. Caso exista deslocamento parcial ou total da película de ligante, o agregado possui má adesividade. Para o agregado miúdo, a mistura é colocada em um tubo de ensaio com água destilada, leva- se o tubo de ensaio ao banho (temperatura aproximadamente de 110 °C) e marca-se um minuto de fervura. O tubo é retirado do banho e verifica-se o deslocamento da película betuminosa. Havendo deslocamento total diz-se que o material apresenta má adesividade. Caso não haja deslocamento da película de asfalto, o ensaio é repetido substituindo-se a água por soluções de carbonato de sódio com diferentes concentrações. Verifica-se em qual concentração de solução de carbonato de sódio se dará a separação ou em que solução se inicia a separação e em qual termina. Quanto a adesividade existem dois tipos de agregados: (a) hidrófilos: quando úmidos perdem a película betuminosa e (b) hidrófobos: quando úmidos mantém a película betuminosa. Deve- se procurar utilizar agregados hidrófobos, porém é importante atentar que um mesmo agregado pode possuir estas duas características, dependendo do tipo de ligante utilizado. Em casos extremos é possível melhorar-se a adesividade de um agregado empregando-se substâncias melhoradoras de adesividade (dopes). Figura 7. Ensaio de adesividade para agregados graúdos Massa específica aparente (ME 064/79) A massa específica aparente é a relação entre a massa e o volume total do agregado. O material, no estado seco, é colocado em um recipiente de volume conhecido e posteriormente pesado. O ensaio é realizado, no mínimo, duas vezes. A massa específica aparente, expressa em kg/cm3, é obtida pelo quociente: recipiente do volume tara- cheio recipiente do médio peso específica Massa = Densidade real, aparente e efetiva do grão (ME 084/64 e ME 081/94) A densidade (real ou aparente) é uma ferramenta empregada para conversão de massa e volume. É definida como a razão da massa de um dado volume de substância dividida pela massa de igual volume de água, à mesma temperatura. A densidade é usada para determinar a massa específica (γ): a G γ γ= onde, - G = densidade do material; - γ = massa específica do material em g/cm3; - γa = massa específica da água (1 g/cm3); Os termos “densidade” e “massa específica” são freqüentemente usados indistintamente. Em unidades métricas eles têm o mesmo valor numérico. Conhecendo a massa e a densidade de um material, o volume do material pode ser determinado: aG MV γ×= onde, - V = volume do material; - M = massa do material; - G = densidadedo material; - γa = massa específica da água (1 g/cm3); No caso de agregados minerais são determinados 3 tipos de densidade que são ilustradas na Figura 8: - Densidade real; - Densidade aparente; e - Densidade efetiva. (a) Densidade real do grão (b) Densidade aparente do grão (c) Densidade efetiva do grão Figura 8. Resumo das densidades dos agregados Densidade Real (Gsa) (Apparent Specific Gravity) Corresponde a massa específica real (γs), ou seja, Gsa = γs / γa. A massa específica, γs, é a razão entre o peso seco do grão (Ps) e o volume da parte sólida (Vs) (Figura 8a). Este volume inclui o volume de agregado sólido e o volume dos poros impermeáveis (considerado aqui como parte integrante do volume dos sólidos). A densidade real é determinada no laboratório por: ( ) asas sss sis ssa V P EPP P PP P G γ γ=γ=−−=−= onde, - Ps = peso seco do agregado (g); - Pi = peso imerso em água (g) (imerso após 24 horas – Figura 9). Note que o denominador, apesar de ser uma diferença entre pesos, corresponde ao volume deslocado de água, que por sua vez é igual ao volume do agregado. Figura 9. Determinação do Peso imerso Para a determinação da densidade real dos agregados miúdos utiliza-se o picnômetro (Figura 10). A densidade real é dada pela fórmula: )PP()PP( PPG 2314 12 sa −−− −= onde: - P1 = peso do picnômetro vazio e seco, em g; - P2 = peso do picnômetro mais amostra, em g; - P3 = peso do picnômetro mais amostra, mais água, em g; - P4 = peso do picnômetro mais água. Figura 10. Picnômetros (densidade real para agregados miúdos) Exemplos de valores de densidades reais para diferentes agregados são: brita: 2,656; areia de campo: 2,645; pó de pedra: 2,640; fíler: 2,780. Densidade Aparente (Gsb) (Bulk Specific Gravity) Corresponde a massa específica aparente do grão (γb), que é definida como a razão entre o peso seco do grão (Ps) e o volume aparente (Vt) (volume do agregado sólido + volume dos poros superficiais preenchidos por água). Novamente o volume dos poros impermeáveis é considerado parte integrante do volume dos sólidos. O volume aparente é determinado com o agregado na condição de Superfície Saturada Seca (Saturated Surface Dry = SSD). Esta condição representa o grão que, retirado da água após imersão de 24 horas, é enxuto superficialmente com uma toalha (também chamado peso úmido, Ph). A densidade aparente é determinada no laboratório por: ( ) abat sasaa sassh ssh sih ssb V P VV P VPP P EPP P PP P G γ γ=γ=γ+γ=γ+−=−−=−= onde, - Va = volume de água nos poros dos agregados (g); Note que Pi acima foi considerado como o peso imerso do agregado inicialmente seco, portanto, igual a “Ps – E”. Caso o agregado fosse imerso estando na condição SSD, o Pi seria dado por “Ph – E”. O denominador da equação acima seria o volume de água deslocado após imergir-se o agregado úmido, portanto, volume de água nos poros permeáveis mais volume dos sólidos, ou seja, “Va + Vs”, o que levaria ao mesmo resultado final para Gsb. A finalidade da determinação das densidades é o cálculo de densidades teóricas das misturas betuminosas. É comum a utilização das densidades reais dos grãos nos cálculos volumétricos do projeto de misturas conforme é discutido adiante. Existe ainda um terceiro tipo de densidade dos grãos, a densidade efetiva (Gse). Densidade Efetiva (Gse) Corresponde a massa específica efetiva, que é a razão entre o peso seco do grão e o volume efetivo (volume do agregado sólido + volume da superfície de poros preenchidos com asfalto). A densidade efetiva do agregado não é diretamente medida da mesma maneira que as densidades real e aparente. Ela é calculada conhecendo-se a densidade teórica máxima de uma mistura e o teor de asfalto (explicados mais adiante). É dada por: ( ) ( ) G M V M P M V V M P M M G M G P G P G se agregado efetivo agregado total b total total s vazios total asfalto total b total total mm asfalto asfalto b mm b asfalto = = − − = − − = − −− −/ 1 1 onde, - Pb = teor de asfalto (porcentagem da massa total da mistura total); - Gmm = densidade teórica máxima da mistura asfáltica não compactada (explicada mais adiante). A densidade efetiva é, geralmente, tomada como a média entre a densidade real e a aparente. Mistura de Agregados Quando uma amostra é ensaiada considerando diferentes frações do material (p.e., graúdos e miúdos), a densidade média (real ou aparente) pode ser computada como uma média ponderada das várias frações usando a seguinte equação: G P P P P G P G P G n n n = + + + + + + 1 2 1 1 2 2 ... ... onde, - G = densidade média; - G1, G2, ..., Gn = densidade para fração 1, 2, ..., n; - P1, P2, ..., Pn = percentual do peso das frações 1, 2, ..., n. Exemplo Dois agregados vão ser combinados em proporções iguais por peso a fim de atender as especificações de uma mistura asfáltica. A densidade real do agregado 1 é 2,50 e do agregado 2 é 3,00. Determinar a densidade da mistura de agregados. 727,2 167,02,0 1 00,3 5,0 50,2 5,0 5,05,0 G P G P PPG 2 2 1 1 21 =+=+ += + += Note que tirando a média das duas densidades (2,75) não fornece a resposta correta para a densidade da mistura. Outra maneira de se obter a mesma resposta é se considerando pesos e volumes. Assumindo que o peso do agregado 1 é 100 g, e, portanto, o peso do agregado 2 também é 100 g: - O volume do agregado 1 = 100 / 2,500 = 40,000 - O volume do agregado 2 = 100 / 3,000 = 33,333 Portanto, o peso total da mistura é 200 g e o volume do agregado misturado é 73,333 ml. G é numericamente igual a “massa / volume” = 200 / 73,333 = 2,727 Densidade teórica máxima da mistura asfáltica (Rice specific gravity) Para um dado teor de asfalto, a densidade teórica máxima (Gmm) de uma mistura asfáltica não compactada pode ser obtida a partir da massa específica teórica máxima (γmm) que é dada por: ( ) asfalto b se b asfalto btotal se btotal total asfalto asfaltototal se agregado total totalagregadoefetivo asfaltoagregado mm G P G P1 1 G PM G P1M M G M G M M VV MM +− = +− = + =+ +=γ −− ond e, - Gse = densidade efetiva do agregado; - Pb = teor de asfalto (concentração em massa do ligante). É expresso como percentual da massa total da mistura ou percentual por massa total do agregado (é mais comum usar-se o percentual por massa total da mistura). O teor de asfalto efetivo é a concentração em massa de ligante asfáltico que não é perdida por absorção. O teor de asfalto absorvido é a concentração em massa de ligante asfáltico absorvido pelo agregado. A expressão acima é uma das maneiras de se determinar a densidade teórica máxima de uma mistura asfáltica não compactada. Para sua utilização, é necessário dispor-se da densidade efetiva dos agregados (Gse) que pode ser aproximada pela média das densidades aparente e real, conforme dito anteriormente. Uma segunda maneira de obter-se a densidade teórica máxima da mistura é através de um ensaio de laboratório. Enquanto no Brasil isto é raramente feito, nos Estados Unidos trata-se de um ensaio rotineiro (ASTM 2041, AASHTO T209). A densidade teórica máxima (Gmm) é dada por (ver ilustração na Figura 11): CBA AG mm −+= onde, - A = peso da mistura asfáltica não compactada (agregados + CAP); - B = peso do frasco + água; - C = pesodo frasco + água + mistura asfáltica não compactada. Figura 11. Determinação da densidade teórica máxima É importante observar que para a determinação do peso “frasco + água + mistura asfáltica”, a norma americana exige a aplicação de vácuo para retirada dos vazios de ar. Isto torna a realização deste ensaio em obras particularmente delicada, daí o referido ensaio não ser rotineiro no Brasil. Recentemente foi proposto um método que permite a expulsão dos vazios do ar sem a utilização da aplicação de vácuo (querosene é usado para expulsão dos vazios). Uma terceira maneira ainda de se determinar a densidade máxima teórica da mistura não compactada é através das densidades reais dos seus componentes. Esta é a forma mais comumente usada no país e é descrita mais adiante no procedimento de dosagem.
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