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UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO ENGENHARIA CIVIL ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UM PAVIMENTO ASFÁLTICO COM INSERÇÃO DE ADITIVO SURFACTANTE Projeto Final de Curso II Josiani Fatima Betencourt Orientador: Prof. M. Eng. Lauson Serafini Erechim, junho de 2016. UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO ENGENHARIA CIVIL GEPEMASI – Grupo de Estudos e Pesquisas em Materiais e Sistemas GEAPI – Grupo de Engenharia Aplicada a Processos Industriais ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UM PAVIMENTO ASFÁLTICO COM INSERÇÃO DE ADITIVO SURFACTANTE Josiani Fatima Betencourt Projeto Final de Curso II realizado no Departamento de Engenharias e Ciência da Computação da URI, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Civil. Junho de 2016. ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UM PAVIMENTO ASFÁLTICO COM INSERÇÃO DE ADITIVO SURFACTANTE Orientador: Prof. M. Eng. Lauson Serafini / URI – Erechim-RS Banca Examinadora: Prof. Dr. Gilson Francisco Paz Soares / URI – Erechim-RS Prof. M. Eng. José Luis Rodriguez Brochero / URI – Erechim-RS ___________________________________ Profa. Dra. Daiane De Sena Brisotto Coordenadora do Projeto Final de Curso II iii AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar, agradeço a Deus pela oportunidade que nos dá a cada dia, por permitir que eu chegasse até aqui com saúde e ao lado das pessoas que amo. Aos meus pais, Carlos e Mitzu e irmãs, Luciane e Bruna, que me deram todo apoio para começar esta faculdade, por terem acreditado em mim e por terem me dado forças em todos os momentos. Amo muito vocês! Ao meu professor orientador e amigo Lauson Serafini, por ter confiado em mim para desenvolver este trabalho, por ter sido exemplo de profissional pra mim, por me mostrar que a área de pavimentação asfáltica pode ser a mais interessante de toda engenharia. Obrigada por tudo, mesmo! Aos meus colegas e amigos que me ajudaram ao longo dessa caminhada, que estiveram comigo desde o início: Tássia Bertani, Rodrigo Ziliotto, Willian Alves, Alisson Gernhardt, Murilo Franzen, Lucas Brandão, Diego Ronsoni, Vanessa Delazari, vocês sim foram a minha turma, obrigada por fazerem parte da minha vida, eu amo vocês! À empresa Traçado Construções e Serviços Ltda., por ter permitido a realização do estudo em uma de suas obras, por tudo que aprendi nos anos em que trabalhei com vocês, por toda ajuda disponibilizada para a conclusão deste trabalho. A todos aqueles que de alguma forma contribuíram com a minha caminhada, que me apoiaram, confiaram em mim, a todos vocês meu muito obrigada, de coração! iv RESUMO Este estudo apresenta a análise do comportamento de uma mistura asfáltica morna, com aditivo Evotherm™ introduzido no ligante CAP Stylink 60/85, produzido pela empresa Greca, para o trecho da rodovia ERS-324 (Entr. ERS-129 (B) p/ Guaporé – Entr. RSC-470 (Nova Prata)) que está sendo executado pela empresa Traçado Construções e Serviços Ltda. A adição de aditivos químicos surfactantes na mistura asfáltica tem por finalidade a redução da temperatura da mistura, além de reduzir a tensão superficial na interface agregado/ligante, proporcionando o recobrimento perfeito e gerando economia no processo de usinagem. Outro resultado desta adição, devido à ação dos agentes químicos, é a melhor compactação, atingindo o grau desejado mesmo a temperaturas mais baixas, por conferir maior trabalhabilidade e homogeneidade na mistura asfáltica. O objetivo deste estudo foi a verificação do comportamento da mistura asfáltica com adição de aditivos químicos surfactantes, em comparação com a mistura convencional a quente. Assim, as amostras extraídas de campo foram analisadas através do ensaio Marshall, onde foi constatado que a mistura morna conserva o comportamento mecânico da mistura convencional quanto à estabilidade, porém obteve valores menores na fluência, o que indica que a mistura quente pode sofrer maiores deformações permanentes. A análise da resistência à tração (RT) mostrou resultados equivalentes para ambas as misturas, bem como o grau de compactação, demonstrando que a adição de Evotherm™ é capaz de manter as características da mistura asfáltica quente, sendo apenas mais onerosa, considerando o valor da usinagem, uma vez que o ligante asfáltico se torna mais caro, compensando, porém, nos resultados em campo onde possibilita ganhos de produtividade. Palavras-chave: mistura asfáltica morna, Evotherm™, compactação. v ABSTRACT This study presents analysis of the behavior of a warm asphalt mix, with Evotherm ™ additive introduced into the binder CAP Stylink 60/85, produced by Greca company, for the passage of ERS-324 (Entr. ERS-129 (B) p / Guaporé - Entr RSC-470 (Nova Prata)) being executed by the company Traçado Construções e Serviços Ltda. The addition of surfactant chemical additives in asphalt mixture is intended to reduce the mixture temperature and reduces the surface tension in the aggregate / binder interface, providing the perfect coverage and saving money in the machining process. Another result of this addition, due to the action of the chemical, is a better compression, reaching the desired degree even with lower temperatures, by providing greater workability and homogeneity in the mix asphalt. The aim of this study was to verify the behavior of mix asphalt with surfactant chemical additives compared to conventional hot mix. Thus, samples taken in the field were analyzed using the Marshall test, which revealed that the warm mixture retains the mechanical behavior of conventional mixing for stability , but had lower values of fluency, which indicates the hot mix may undergo major deformations permanent. The analysis of the tensile strength showed equivalent results for both mixtures, as well as the degree of compression, demonstrating that the addition of Evotherm™ is capable of maintaining the characteristics of the hot asphalt, only more expensive considering the value of machining, since the asphalt binder becomes more expensive, offsetting, however, in results in the field which enables productivity gains. Key words: warm mix asphalt, Evotherm™, compression. vi ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1 1.1. Objetivos ........................................................................................................................ 2 1.1.1. Objetivo geral ....................................................................................................... 2 1.1.2. Objetivos específicos ............................................................................................ 2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................... 3 2.1. Misturas asfálticas ......................................................................................................... 3 2.1.1. Misturas a quente ................................................................................................ 3 2.1.2. Misturas asfálticas usinadas a frio ..................................................................... 6 2.1.3. Mistura asfáltica morna ......................................................................................7 2.2. Cimento asfáltico de petróleo (CAP) ........................................................................... 8 2.3. Aditivos modificadores de ligante para mistura asfáltica morna ........................... 10 2.3.1. Evotherm™ ........................................................................................................ 11 2.3.2. Evotherm™ 3G .................................................................................................. 12 2.4. Dosagem de misturas asfálticas .................................................................................. 13 2.4.1. Ensaio Marshall ................................................................................................ 13 2.5. Resistência mecânica de misturas asfálticas ............................................................. 14 2.5.1. Ensaio de resistência à tração por compressão diametral (RT) ...................... 14 3. METODOLOGIA ............................................................................................................ 15 3.1. Ensaio Marshall ........................................................................................................... 16 3.1.1. Cálculo dos parâmetros ..................................................................................... 19 3.1.2. Parâmetros para análise dos resultados ........................................................... 21 3.2. Ensaio de resistência à tração por compressão diametral (RT).............................. 22 3.2.1. Cálculo da RT (DNER-ME 138/94) .................................................................. 23 3.2.2. Parâmetros para análise dos resultados ........................................................... 23 3.3. Caracterização dos materiais ..................................................................................... 23 3.3.1. Agregados ........................................................................................................... 23 3.3.2. Ligante asfáltico ................................................................................................ 24 vii 3.4. Verificação da compactação ....................................................................................... 24 3.5. Comparativos financeiros ........................................................................................... 24 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................................... 26 4.1. Ensaio Marshall ........................................................................................................... 26 4.2. Ensaio de resistência à tração por compressão diametral (RT).............................. 30 4.3. Grau de compactação (GC) ........................................................................................ 32 4.4. Comparativo financeiro .............................................................................................. 34 4.5. Resumo comparativo de resultados ........................................................................... 35 5. CONCLUSÕES ................................................................................................................ 36 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 39 APÊNDICE A – CONTROLE DE AGREGADOS ............................................................. 42 APÊNDICE B – RESULTADOS MARSHALL .................................................................. 43 APÊNDICE C – COMPARATIVO FINANCEIRO ........................................................... 44 viii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 – Curvas granulométricas de diferentes misturas. (BERNUCCI et al., 2008). ......... 4 Figura 2.2 – Diferença de fumos asfálticos entre mistura quente e morna. (MOTTA; BERNUCCI; VASCONCELLOS, 2013). .................................................................................. 5 Figura 2.3 – Emissões de HPAs em usinagem de mistura e morna e a quente (MOTTA; BERNUCCI; VASCONCELLOS, 2013). .................................................................................. 5 Figura 2.4 – Planos de deslizamento formados pelas micelas. (DAER, 2014). ....................... 12 Figura 3.1 – Mapa do trecho da ERS-324 (Fornecido pela empresa executora da obra). ........ 15 Figura 3.2 – Soquete manual e automático. (BERNUCCI et al., 2008). .................................. 17 Figura 3.3 – Molde posicionado na prensa Marshall. (BERNUCCI et al., 2008). ................... 18 Figura 3.4 – Parâmetros Marshall. (DAER, 2001). .................................................................. 21 Figura 3.5 – Pórtico de Lotmann (MORILHA JR., 2006). ...................................................... 22 Figura 3.6 – Parâmetros de dosagem (DNIT-ES 031/2006). ................................................... 23 Figura 4.1 – Gráfico comparativo dos valores de estabilidade................................................. 28 Figura 4.2 – Gráfico comparativo dos valores de fluência. ...................................................... 28 Figura 4.3 – Gráfico comparativo dos valores de RT............................................................... 32 Figura 4.4 – Gráfico comparativo dos valores de Grau de Compactação. ............................... 34 ix ÍNDICE DE TABELAS Tabela 3.1 – Correção da estabilidade em função da espessura do corpo de prova (DNER-ME 43/95). ....................................................................................................................................... 18 Tabela 4.1 – Valores de estabilidade e fluência por tipo de mistura. ...................................... 27 Tabela 4.2 - Valores de Vv conforme tipo de mistura.............................................................. 30 Tabela 4.3 – Valores de RT conforme tipo de mistura ............................................................. 31 Tabela 4.4 – Grau de compactação conforme tipo de mistura ................................................. 33 Tabela 4.5 – Resultados comparativos dos ensaios .................................................................. 35 x SIMBOLOGIA An Antraceno - BaA Benzo[a]antraceno - BaP Benzo[a]pireno - BbF Benzo[b]fluoranteno - BkF Benzo[k]fluoranteno - BPe Benzo[g,h,i]perileno - CA Concreto asfáltico - CAP Cimento Asfáltico de Petróleo - CBUQ Concreto betuminoso usinado a quente - Ch Criseno - Cm Centímetro - CO2 Gás carbônico - CPA Camada porosa de atrito - D Diâmetro do corpo de prova [cm] DA Dibenzo[a,h]antraceno - DAER Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem - DMT Densidade máxima teórica [t/m³] EAP Emulsão asfáltica de petróleo - Ent. Entroncamento - EUA Estados Unidos - F Força de ruptura [kgf] FL Fluoranteno - Ga Massa específica real do asfalto [g/cm³] Gag Massa específica real do agregado graúdo [g/cm³] GC Grau de compactação [%] Gf Massa específica real do fíler [g/cm³] xi H Altura do corpo de prova [cm] HPA Hidrocarboneto policíclico aromático - IP Indeno[1,2,3-c,d]pireno - Kgf Quilograma-força - kN Kilonewton - M Massa do corpo de prova [kg] Ma Massa do corpo de prova imerso [kg] MPa MWV Mega Pascal MeadWestvaco - - N Newton - Ph Fenantreno - PMF Pré-misturado a frio - Py Pireno - RBV Relação betume vazios [%] RT Resistência à tração [kgf/cm²] SMA Stone matrix asphalt - VAM Vazios do agregado mineral [%] VOC Compostos orgânicos voláteis - Vv Volume de vazios[%] Rσ Resistência à tração [kgf/cm²] %a Teor de asfalto [%] %Ag Porcentagem de agregado graúdo [%] %Am Porcentagem de agregado miúdo [%] %b Porcentagem de asfalto [%] %f Porcentagem de fíler [%] 1 1. INTRODUÇÃO As misturas asfálticas quentes, segundo Paiva e Cartaxo (2014), são as mais utilizadas na pavimentação de rodovias, devido a sua alta resistência mecânica. Todavia, os impactos ambientais causados por estas misturas fizeram com que se começasse a pensar em alternativas sustentáveis, que viessem a amenizar os problemas gerados pelas emissões de poluentes atmosféricos. Ainda, as emissões asfálticas constituem um problema para a saúde do trabalhador, uma vez que, quando a temperatura da mistura atinge valores próximos a 150°C, são emitidos vapores visíveis, que se condensam ao se resfriarem, formando os fumos asfálticos (PAIVA e CARTAXO, 2014). Estes vapores e fumos são constituídos de poluentes chamados Compostos Orgânicos Voláteis (VOCs), que também são considerados cancerígenos ou tóxicos, podendo causar irritações no trato respiratório, tosse, bronquite, ressecamentos, entre outras enfermidades (PAIVA e CARTAXO, 2014). Assim, na década de 80, surgia na Europa o Asfalto Morno que, de acordo com Mello (2012 apud MOTTA, 2011) trata-se de uma mistura asfáltica com adição de aditivo surfactante diretamente no ligante asfáltico, o cimento asfáltico de petróleo (CAP), o que, para Motta; Bernucci e Vasconcellos (2013) reduz a temperatura de usinagem e compactação, reduzindo consideravelmente a emissão de poluentes, uma vez que parte do combustível deixa de ser queimado no processo de usinagem e de compactação na pista. Contudo, além de ser uma mistura sustentável, Paiva e Cartaxo (2014) salientam que é esperado que este produto gere economia, uma vez que com menos energia de compactação se deve alcançar a densidade desejada, além de outras melhorias como, por exemplo, na adesividade da mistura. O aditivo surfactante é um tensoativo capaz de reduzir a tensão superficial na interface agregado/ligante, proporcionando um perfeito recobrimento do agregado pelo ligante, já que reduz a viscosidade do asfalto. Com isso exposto, o trabalho a seguir norteia-se pelo seguinte problema: quais as vantagens e desvantagens da utilização de asfalto morno em rodovias? 2 1.1. Objetivos 1.1.1. Objetivo geral Analisar o desempenho de pavimentos asfálticos, com utilização de asfalto morno, sob o ponto de vista econômico, executivo e da qualidade. 1.1.2. Objetivos específicos • Analisar a qualidade da mistura asfáltica morna através dos ensaios Marshall (estabilidade e fluência) e de Resistência a Tração; • Determinar a eficiência da compactação da mistura asfáltica morna na pista, em comparação ao processo convencional; • Avaliar a economia financeira no processo de usinagem de uma mistura morna, em relação à usinagem convencional. 3 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo serão abordados alguns conceitos relacionados às misturas asfálticas mornas, bem como as diferenças para as demais misturas asfálticas, correlacionando, ainda, com estudos anteriores da aplicação de asfalto morno, com respectivos resultados. 2.1. Misturas asfálticas Segundo Bernucci et al. (2008), uma mistura asfáltica consiste da mistura proporcional de agregados minerais com ligante asfáltico, de modo a garantir características como impermeabilidade, flexibilidade, resistência mecânica, estabilidade e durabilidade ao pavimento. Para que isso seja possível, a mistura deve atender a um projeto de dosagem, inclusive quanto à escolha dos agregados, fazendo com que os requisitos técnicos e de qualidade esperados sejam alcançados. A mistura convencionalmente utilizada é o concreto asfáltico (CA) que, de acordo com Bernucci et al. (2008), é uma mistura quente, obtida através da composição de agregados e ligante aquecidos previamente, em temperaturas definidas a partir da característica temperatura-viscosidade do ligante asfáltico. Essa mistura é comumente denominada concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ). Dessa forma, as misturas asfálticas são classificadas de acordo com temperatura e graduação, conforme apresentado a seguir. 2.1.1. Misturas a quente Este tipo de mistura asfáltica pode ser classificado conforme a graduação dos agregados da mistura, como explicitado por Bernucci et al. (2008): 4 • Graduação densa: são misturas que apresentam curva granulométrica contínua, bem-graduada, com poucos vazios, pois os agregados menores preenchem os espaços. Um exemplo desta mistura é o CA. • Graduação aberta: o objetivo desta mistura é permitir a percolação de água no interior da mistura, formando um pavimento drenante, ou seja, com maior volume de vazios graças ao esqueleto formado por agregados quase exclusivamente do mesmo tamanho. A camada porosa de atrito (CPA) é o exemplo desta mistura utilizado no Brasil. • Graduação descontínua: este tipo de mistura é composto por um esqueleto mineral formado por uma grande quantidade de agregados de dimensões maiores, com uma proporção de intermediários e finos, o que aumenta o contato entre os agregados graúdos. Com isto, este tipo de mistura é mais resistente a deformações permanentes, sendo conhecidas como matriz pétrea asfáltica ou stone matrix asphalt (SMA) e mistura sem agregados de certa graduação (gap-graded). A Fig. 2.1 representa as curvas granulométricas de cada graduação apresentada anteriormente. Figura 2.1 – Curvas granulométricas de diferentes misturas. (BERNUCCI et al., 2008). As misturas a quente demandam elevadas temperaturas no processo de usinagem, para promover a integração do agregado com o ligante asfáltico, onde comumente se utiliza o cimento asfáltico de petróleo (CAP), no qual as temperaturas podem variar entre 150° e 5 180°C (PENZ, 2010). Ainda, devido à graduação da mistura e o teor de ligante asfáltico que estas misturas são mais resistentes, sendo largamente utilizadas em rodovias de tráfego pesado. A emissão de poluentes atmosféricos pelas misturas quentes, segundo Motta; Bernucci e Vasconcellos (2013) contempla uma alta concentração de compostos como o hidrocarboneto policíclico aromático (HPA), além de outros poluentes. Os HPAs, por sua vez, além da poluição, são identificados também como potenciais carcinogênicos, estando presentes nos fumos de asfalto. A Fig. 2.2 demonstra a diferença na emissão de fumos quando da aplicação de uma mistura quente (A) e uma mistura morna (B). Sabe-se que a temperatura é capaz de influenciar na quantidade de HPA nos fumos de asfalto, onde quanto maior a temperatura, maior a nocividade do poluente (MOTTA; BERNUCCI; VASCONCELLOS, 2013). Assim, a Fig. 2.3 apresenta um comparativo de emissões de HPAs em relação à temperatura da mistura (quente ou morna). Figura 2.2 – Diferença de fumos asfálticos entre mistura quente e morna. (MOTTA; BERNUCCI; VASCONCELLOS, 2013). Figura 2.3 – Emissões de HPAs em usinagem de mistura e morna e a quente (MOTTA; BERNUCCI; VASCONCELLOS, 2013). (A) (B) 6 Os HPAs apresentados no gráfico comparativo são compostos químicos complexos, na forma de anéis de benzeno unidos, sendo estes os prioritários: fenanteno (Ph), antraceno (An), pireno (Py), criseno (Ch), fluoranteno (FL), benzo[a]antraceno (BaA), benzo[b]fluoranteno (BbF), benzo[k]fluoranteno (BkF), benzo[a]pireno (BaP), dibenzo[a,h]antraceno (DA), benzo[g,h,i]pireleno (BPe) e indeno[1,2,3-c,d]pireno (IP).Contudo, como também observado por Penz (2010), estas temperaturas elevadas trazem, em contrapartida, alguns aspectos que demandam atenção, além da emissão de poluentes oriundos da queima do combustível no processo de usinagem: a necessidade de controlar a temperatura em função da distância de transporte entre a usina e o ponto de aplicação e, ainda, o curto espaço de tempo em que a mistura pode ser aplicada na pista, sem que haja prejuízo de suas propriedades. 2.1.2. Misturas asfálticas usinadas a frio As misturas asfálticas a frio, também conhecidas como pré-misturado a frio (PMF), são produzidas através da integração de agregados graúdos e miúdos com a diferença no ligante, que neste caso é utilizada uma emulsão asfáltica de petróleo (EAP), misturados em temperatura ambiente (BERNUCCI et al., 2008). Estas misturas não possuem a mesma resistência mecânica que as misturas a quente, sendo seu uso recomendado para vias de baixo tráfego, em camadas intermediárias de pavimento ou em conserva de rodovias. O fato de se trabalhar com temperaturas ambientes permite que esta mistura permaneça estocada, ou utilizada por até um dia inteiro, pois a compactação também não demanda maior temperatura (BERNUCCI et al., 2008, apud ABEDA, 2001). Contudo, algumas vantagens para o uso do PMF incluem a trabalhabilidade da mistura em temperatura ambiente, alta flexibilidade, além de boa integração com quase todos os agregados (BERNUCCI et al., 2008, apud ABEDA, 2001). Segundo Abeda (2001), as desvantagens da utilização deste tipo de mistura incluem o desenvolvimento lento da resistência, cujo controle é efetuado pela perda de umidade da mistura. Assim, a estabilidade última não será atingida até que toda água da mistura seja evaporada. 7 2.1.3. Mistura asfáltica morna A mistura asfáltica morna, segundo Chowdhurry e Button (2008), surgiu na Europa nos anos 80, onde a tecnologia empregada permite a usinagem e compactação em temperaturas até 50°C abaixo da mistura quente. Com esta redução de temperatura, é possível a redução na emissão de poluentes, economia energética, maior tempo de utilização da mistura e possibilidade de execução em épocas mais frias do ano. A tecnologia da mistura morna reduz a viscosidade do ligante asfáltico e proporciona melhora na trabalhabilidade da mistura, além de promover uma melhor compactação da mistura na pista, com menos energia para atingir a densidade almejada (CHOWDHURRY e BUTTON, 2008, apud PROWELL e HURLEY, 2006). Outro benefício diz respeito ao envelhecimento do ligante, que ocorre com muito mais rapidez nas misturas quentes, uma vez que o ligante entra em processo de oxidação ao estar em contato com altas temperaturas desde a usinagem. Com temperaturas mais baixas, o envelhecimento devido à oxidação é reduzido, melhorando aspectos como a suscetibilidade à fissuração, a flexibilidade do pavimento e, portanto, sua vida útil (CHOWDHURRY e BUTTON, 2008, apud PROWELL e HURLEY, 2006). Sob o ponto de vista ambiental, as misturas asfálticas mornas reduzem em até 45% o consumo de combustível para aquecimento dos agregados, o que gera uma redução considerável na emissão de gás carbônico (CO2), de compostos orgânicos voláteis e de fumos de asfalto, que prejudicam também a saúde do trabalhador. Apesar de ter surgido oficialmente nos anos 80, em 1956 já se faziam experimentos para tentar reduzir a temperatura da mistura quente, com adição de espuma de asfalto como ligante na mistura (CHOWDHURRY e BUTTON, 2008). Este processo inicial consistia na injeção de vapor em betume quente, melhorado, posteriormente, quando a empresa Mobil Oil Australia substituiu o vapor por adição de água fria. Contudo, acabou tornando-se mais prática a utilização de espuma de asfalto, quando os Estados Unidos (EUA) aprimoraram a tecnologia e o produto foi avaliado como um estabilizador de base (CHOWDHURRY e BUTTON, 2008, apud RUCKEL et al., 1979 e LITTLE et al., 1983). Mello (2012, apud JENKINS et al., 1999) aponta um estudo realizado, onde o asfalto espuma fora utilizado em uma mistura com agregados aquecidos acima da temperatura ambiente, porém abaixo de 100°C, o que resultou em ganhos nas propriedades mecânicas se comparados a misturas com agregados a temperatura ambiente. 8 A partir daí, diversos estudos foram realizados com o intuito de desenvolver e melhorar a tecnologia de mistura asfáltica morna, visando também os benefícios ambientais observados com a possibilidade de redução das emissões de poluentes atmosféricos. No ano de 2004, um aditivo com zeólita – um mineral que ocorre na forma de cristais – foi utilizado para aumentar a trabalhabilidade da mistura com a redução da temperatura (MELLO, 2012, apud BARTHEL et al., 2004). Ainda segundo Mello (2012), a partir de 2007 a Universidade da Califórnia começou a realizar diversos ensaios de laboratório, para avaliar o desempenho das misturas mornas, principalmente em relação ao comportamento da mistura quando comparada às misturas quentes. Os resultados obtidos revelaram que a mistura morna mantinha as propriedades mecânicas da mistura quente, além de proporcionar maior conforto aos trabalhadores com a redução de fumos de asfalto. No processo de usinagem de uma mistura quente convencional, os agregados precisam ser aquecidos em temperaturas elevadas para garantir a retirada de toda umidade e, assim, promover o recobrimento de todo agregado com o ligante asfáltico. Para as misturas mornas, que reduzem as temperaturas de usinagem, esta integração entre agregado e ligante é garantida através dos aditivos químicos incorporados, que reduzem a viscosidade do ligante e permitem este recobrimento (MELLO, 2012). 2.2. Cimento asfáltico de petróleo (CAP) O principal ligante asfáltico utilizado na usinagem de misturas asfálticas quentes, é o CAP, um produto que apresenta, à temperatura ambiente, uma cor escura, é semissólido, rico em hidrocarbonetos não voláteis de elevada massa molecular, além de possuir propriedades específicas quando à viscosidade e penetração (ROHDE, 2007). Algumas propriedades do CAP, de acordo com Rohde (2007), incluem a capacidade aglutinante e impermeabilizante, além da necessidade de tornar-se líquido o suficiente para permitir o recobrimento dos agregados durante a usinagem da mistura, facilitando também o lançamento da mistura na pista. Quando a mistura é aplicada na pista, o CAP deve tornar-se sólido, permitindo a resistência da mistura às ações impostas pelo tráfego, sem que ocorram deformações excessivas e, ainda, garantir a flexibilidade suficiente para evitar o surgimento de trincas em condições de baixas temperaturas (ROHDE, 2007, apud LEITE, 1999). 9 A composição química do CAP, segundo Bernucci et al. (2008), é de 90 a 95% de hidrocarbonetos e 5 a 10% de heteroátomos, como oxigênio, enxofre, nitrogênio e alguns metais, sendo que esta composição influencia no desempenho das misturas. No Brasil, os cimentos asfálticos têm baixo teor de enxofre e metais e, em contrapartida, elevados teores de nitrogênio (BERNUCCI et al., 2008, apud LEITE, 1999). Rohde (2007) destaca que o cimento asfáltico pode ser considerado como um material viscoelástico, uma vez que apresenta simultaneamente características de viscosidade e elasticidade sendo que, quando submetido a temperaturas acima dos 100°C, o CAP se comporta como um fluido viscoso e, em temperaturas abaixo de 0°C é um sólido elástico, que se deforma sob carregamento e volta ao estado original posteriormente. Todas as propriedades relativas à característica viscoelástica dependem, ainda, da temperatura, tempo de carregamento, propriedade dos agregados e das características reológicas do ligante asfáltico (ROHDE, 2007 apud HUBER, 1999). É importante ressaltaro envelhecimento do CAP se inicia no processo de usinagem, quando ocorre o aquecimento do ligante para permitir a integração com o agregado da mistura. Quando o cimento asfáltico é aquecido, ocorrem alterações significativas em suas propriedades reológicas, como aumento da viscosidade e da consistência. Devido à oxidação do ligante neste processo de aquecimento, ocorre o que se chama de envelhecimento de curto prazo. O envelhecimento de longo prazo ocorre durante a vida em serviço deste pavimento, resultando no enrijecimento da mistura, o que pode gerar desgaste e deixar a camada asfáltica suscetível ao trincamento (ROHDE, 2007 apud LIANG e LEE, 1996). De acordo com Bernucci et al. (2008), as propriedades físicas do asfalto estão ligadas à sua temperatura. Assim, para entender o efeito da temperatura sobre o ligante, basta ver o seu modelo estrutural como uma dispersão de moléculas polares em meio não polar. Quando a temperatura é muito baixa, estas moléculas não conseguem se mover, aumentando, assim, a viscosidade e fazendo com que o ligante se comporte quase como um sólido. Em altas temperaturas, o ligante passa a se comportar como um fluido, devido ao movimento das moléculas e o fluxo gerado, baixando a viscosidade (BERNUCCI et al., 2008). Para classificar um ligante de modo a definir se pode ou não ser utilizado na pavimentação, um dos critérios é a suscetibilidade térmica, através de ensaios que meçam a sua consistência em variadas temperaturas. Ainda segundo Bernucci et al. (2008), todos estes 10 ensaios possuem temperaturas especificadas, definindo também o tempo e velocidade de carregamento, uma vez que o asfalto é um material termoviscoelástico. Sendo assim, para determinar a possibilidade de utilização do asfalto para pavimentação são medidas a dureza e a resistência ao fluxo, através da penetração de uma agulha padrão na amostra e através de ensaios de viscosidade, respectivamente. Ainda conforme exposto por Bernucci et al. (2008), outros critérios foram adotados ao longo dos anos, associados a ensaios empíricos, sendo que os ensaios físicos para caracterização do ligante podem ser classificados em ensaios de consistência, durabilidade, pureza e segurança. 2.3. Aditivos modificadores de ligante para mistura asfáltica morna Além dos métodos de adição de aditivos orgânicos ou espumejo do asfalto para reduzir a temperatura, alguns aditivos químicos foram desenvolvidos para serem incorporados diretamente no ligante asfáltico, compostos por agentes tensoativos ou surfactantes (MELLO, 2012). Esta característica surfactante, segundo Mello (2012), consiste na capacidade de reduzir a tensão superficial na interface líquido/agregado, melhorando a propriedade de se espalhar e molhar a superfície devido a esta redução de tensão. Como visto anteriormente, o ligante asfáltico deve ser aquecido, para tornar-se fluido o suficiente para recobrir o agregado e tornar a mistura asfáltica homogênea. Neste caso, com temperaturas mais baixas, os aditivos químicos incorporados devem garantir o efeito surfactante, de modo a promover o perfeito recobrimento dos agregados, assegurando a boa trabalhabilidade da mistura asfáltica (MELLO, 2012 apud MOTTA, 2011). Alguns aditivos químicos utilizados, segundo Mello (2012), são: • Rediset™: pastilha que age como melhorador de adesividade da mistura, combinando agentes orgânicos e tensoativos; • Revix®: objetiva reduzir o atrito entre as partículas de agregados e ligantes, para melhorar a resistência ao cisalhamento durante a passagem do rolo compactador; • Cecabase RT®: garante o perfeito recobrimento do agregado pelo ligante, sendo um agente de superfície que também melhora a adesividade. 11 Outro aditivo surfactante, melhorador de propriedades como recobrimento, trabalhabilidade e adesividade é o Evotherm, que será detalhado em seguida, por ser objeto de estudo deste trabalho. 2.3.1. Evotherm™ O Evotherm™ é um produto desenvolvido pela empresa MeadWestvaco Asphalt Innovations (MWV), sendo uma das tecnologias utilizadas para misturas asfálticas mornas. De acordo com Mello (2012), este produto permite a formação de micelas na mistura, que se unem formando planos de deslizamento, onde as partículas de asfalto se movimentam com mais facilidade fazendo com que o ligante e o agregado deslizem no momento da compactação, requerendo menos energia mecânica neste processo. Ainda segundo Mello (2012), o Evotherm™ mantém as características reológicas da mistura quente convencional, quando submetido a baixas forças de cisalhamento, porém apresenta menor viscosidade em temperaturas mais baixas quando submetido aos processos de usinagem e compactação. Estudos para definir a aplicabilidade do Evotherm™ em misturas asfálticas foram realizados em 2006, em rodovias dos EUA. Os estudos utilizaram um compactador giratório nas misturas, o que indicou que o Evotherm™ pode baixar o teor ótimo de asfalto, além de reduzir o índice de vazios com temperaturas inferiores a 88°C, o que pode implicar na redução de defeitos como afundamento de trilhas de roda (CERATTI et al., 2015 apud PROWELL e HURLEY, 2006). Segundo dados do fabricante, as misturas mornas com a tecnologia Evotherm™ não perdem energia tão rapidamente, o que torna viável a pavimentação em climas frios e viabiliza o transporte em longas distâncias, o que estende o período de pavimentação e aumenta o raio de alcance da usina de asfalto perante a pista. Outra conclusão deste estudo é que o Evotherm™ pode resultar em um menor envelhecimento do asfalto, devido a menor temperatura de usinagem, a baixa temperatura na compactação pode ocasionar o aumento do potencial de dano por umidade, porém o Evotherm™ se mostrou suscetível à umidade. Ainda, os autores estimam que este produto surgiu para viabilizar a redução da temperatura de usinagem e compactação, podendo, assim, reduzir custos com combustíveis e reduzir as emissões de poluentes. 12 2.3.2. Evotherm™ 3G A MWV desenvolveu, em 2008, a nova geração do Evotherm™, na versão 3G, onde o aditivo vem pronto para ser misturado com o asfalto líquido, antes de chegar à usina, sendo misturado pela própria distribuidora. Ou seja, não é preciso nenhum investimento ou qualquer equipamento especial para o seu uso. Segundo Mello (2012), o princípio de funcionalidade do Evotherm™3G se dá a partir de moléculas tensoativas, especialmente desenvolvidas, que permitem a troca de grande parte da energia térmica por energia química. Assim, as micelas do ligante captam toda água do agregado, facilitando o recobrimento deste pelo asfalto, que não é perfeito, e aí se torna imprescindível a boa compactação para tornar a mistura completamente homogênea. Ainda de acordo com Mello (2012), estas moléculas tensoativas agem também durante a compactação, através das micelas, que não apresentam resistência ao cisalhamento imposto pelos rolos. Assim, devido a essa propriedade, durante a compactação, as micelas criam planos de deslizamento, como pode ser observado na Fig. 2.4, permitindo que o agregado e o ligante deslizem com facilidade e a mistura seja compactada de forma adequada, com temperaturas até 50°C mais baixas que as usuais. Figura 2.4 – Planos de deslizamento formados pelas micelas. (DAER, 2014). Alguns estudos realizados, comparando o Evotherm™ 3G a outras tecnologias avaliaram os produtos quanto à trabalhabilidade e a compactação, onde concluíram que as misturas com Evotherm™3G forneceram melhores resultados que as outras (CERATTI et al., 2015 apud BENNERT et al., 2010). Ainda segundo Ceratti et al. (2015, apud HOWARD et al., 2012), outros testes de desempenho, dessa vez comparando misturas mornas com Evotherm™3G e com espuma de Micelas13 asfalto, estudaram a trabalhabilidade da mistura em grandes distâncias de transporte entre usina e pista. Assim, as misturas com utilização de espuma apresentaram menor trabalhabilidade, além de dificuldade na aplicação, pois ainda exigem equipamentos diferenciados. Já a mistura com Evotherm™3G, mesmo após dez horas de transporte, apresentou melhor trabalhabilidade e manteve o grau de compactação das misturas a quente, quando estas são transportadas por até oito horas. 2.4. Dosagem de misturas asfálticas Os primeiros métodos de dosagem de misturas asfálticas, foram originalmente desenvolvidos para dosagem de areia e asfalto, sendo conhecido como método Hubbard-Field (BERNUCCI et al., 2008). Posteriormente este método foi modificado para misturas com agregados graúdos. Segundo Bernucci et al. (2008), o método Superpave vem aos poucos substituindo outros dois métodos, o Marshall e o Hveem, porém, no Brasil, a preferência é pela utilização do método Marshall, sendo o Superpave mais restrito para pesquisas acadêmicas. 2.4.1. Ensaio Marshall Conforme a norma DNER-ME 43/95, o objetivo do ensaio é determinar a estabilidade e a fluência de misturas betuminosas, utilizando a prensa Marshall. “A estabilidade corresponde à máxima resistência à compressão radial, quando o corpo de prova é moldado e ensaiado de acordo com o estabelecido pelo método, sendo o resultado expresso em N (kgf). A fluência é a deformação total que o corpo de prova (CP) apresenta, desde a aplicação da carga inicial nula, até a aplicação da carga máxima, expressa em décimos de milímetro, ou centésimos de polegada” (DNER-ME 43/95). “O valor da fluência é obtido simultaneamente ao da estabilidade. Durante a aplicação da carga, a luva-guia do medidor de fluência será firmada, com a mão, contra o topo do segmento superior do molde de compressão, diretamente sobre um dos pinos-guia. A pressão da mão sobre a luva do medidor de fluência deve ser relaxada, no momento em que se der o rompimento do corpo de prova, ocasião em que será lido e anotado o valor da fluência” (DNER-ME 43/95). 14 2.5. Resistência mecânica de misturas asfálticas 2.5.1. Ensaio de resistência à tração por compressão diametral (RT) Descrito pela norma DNER-ME 138/94, o método apresentado prescreve o modo como se determina a resistência à tração em corpos de prova cilíndricos de mistura betuminosa, através de compressão diametral. Segundo Morilha Jr. (2006), este ensaio é conhecido como o “Ensaio Brasileiro”, tanto nacional quanto internacionalmente. Inicialmente, o objetivo deste ensaio era determinar a resistência à tração de CPs de concreto de cimento Portland, com carregamento estático. Nos dias atuais, ainda conforme Morilha Jr. (2006), este ensaio também é utilizado em CPs de mistura asfáltica, sendo possível, também, a determinação do módulo de resiliência, onde a diferença é que o carregamento deve ser dinâmico. Segundo Bernucci et al. (2008), o ensaio de RT constitui um parâmetro importante para caracterização de materiais de misturas asfálticas, porém com aplicação de forças através de frisos de carga no CP cilíndrico convencional do ensaio Marshall. De acordo com a norma vigente, DNER-ME 138/94, admite-se que o rompimento do CP, durante o ensaio, se deve à tração uniforme gerada ao longo do diâmetro solicitado, cujo valor se iguala à tensão máxima admissível do material, que permanece em regime elástico durante o ensaio. Ainda de acordo com Bernucci et al. (2008), estima-se que o valor da RT aumente à medida que mistura asfáltica envelhece na pista, o que não significa necessariamente uma vantagem, uma vez que a mistura perde sua flexibilidade ao passar do tempo, tornando-se suscetível à patologias devido a fadiga. 15 3. METODOLOGIA O presente capítulo descreve os ensaios que foram realizados neste trabalho, com todas as etapas e normas atendidas, bem como serão descritos todos os materiais utilizados nos procedimentos. O estudo foi realizado nas obras do Crema Serra (Lote 01) do DAER, executadas pela empresa Traçado Construções e Serviços Ltda., na Rodovia ERS-324, no trecho: Entr. ERS-129 (B) (P/ Guaporé) – Entr. RSC-470 (Nova Prata), conforme Fig. 3.1. Os ensaios foram realizados no laboratório da empresa Traçado Construções e Serviços Ltda., em Erechim-RS e no laboratório da obra. Figura 3.1 – Mapa do trecho da ERS-324 (Fornecido pela empresa executora da obra). 16 3.1. Ensaio Marshall Para comparar as propriedades mecânicas de cada mistura asfáltica, foram analisados CPs com e sem o aditivo Evotherm™ incorporado ao ligante asfáltico, através do ensaio Marshall. A norma DNER-ME 43/95 descreve a aparelhagem necessária para a execução do ensaio. A norma exige a preparação de três CPs, no mínimo, para cada dosagem de mistura asfáltica. Para a produção do CP, devem ser calculadas as quantidades de agregado e ligante, com base na porcentagem em massa em que serão misturados. Nesse trabalho, o projeto de dosagem da mistura asfáltica, que é o mesmo para quente e morna, já estava pronto, pois as misturas já estavam sendo produzidas pela obra. A proporção de materiais foi assim definida: • 27% de brita ¾” • 14% de brita 3/8” • 59% de pó de pedra • 5,2% de CAP 60/85 Assim, a cada usinagem de mistura morna ou quente, foram coletadas as amostras na usina de asfalto, suficiente para moldagem de três CPs por usinagem. Para moldagem do CP, o molde foi acoplado no fixador e um papel filtro foi colocado ao fundo. A mistura foi depositada no molde em três camadas iguais, aproximadamente, sendo que a primeira camada recebeu 20 golpes manuais com a haste, de modo que a ponta da haste tocasse o fundo do molde. Nas camadas seguintes, também foram aplicados os 20 golpes, para que a haste ultrapassasse a superfície de separação com a camada subjacente. Os golpes eram distribuídos em toda seção do CP. Esta compactação manual de cada camada se faz necessária para eliminar a segregação do agregado e possível formação de vazios. Após a moldagem, a superfície do molde foi rasada com espátula e, então, o molde foi colocado no suporte para aplicação do soquete. Os golpes podem ser aplicados com soquete manual ou automático, conforme Fig. 3.2. 17 Figura 3.2 – Soquete manual e automático. (BERNUCCI et al., 2008). A norma DNER-ME 43/95 faz referência ao esforço de compactação de 50 golpes para pressão de pneu até 7kgf/cm² e de 75 golpes para pressão de 7kgf/cm² a 14kgf/cm², sendo que não há nenhuma recomendação quanto à frequência de aplicação dos golpes. Neste estudo, o ensaio foi realizado com a aplicação de 75 golpes em cada face do corpo de prova, com utilização do soquete manual. “Após a compactação, o corpo de prova é retirado do anel inferior e, cuidadosamente, colocado numa superfície lisa e plana e deixado em repouso durante, no mínimo, 12 horas, à temperatura ambiente. A altura do corpo de prova deve ser de 65,5 ± 1,30 mm, medida com paquímetro em quatro posições diametralmente opostas. Adota-se como altura a média aritmética das quatro leituras” (DNER-ME 43/95). Ainda segundo a norma DNER-ME 43/95, para determinação da estabilidade e da fluência, os corpos de prova foram imersos em banho-maria a 60±1°C, durante 30 a 40 minuto e, em seguida, foram colocados no molde de compressão. O molde de compressão foi posicionado na prensa segundo a geratriz e o medidor de fluência foi colocado na posição de ensaio, conforme demonstrado na Fig. 3.3. 18 Figura 3.3 – Molde posicionado na prensa Marshall. (BERNUCCI et al., 2008). Conforme a norma DNER-ME 43/95,a prensa deve ser operada de tal modo que seu êmbolo se eleve a uma velocidade de 5cm/min, até o rompimento do corpo de prova, observado no defletômetro pela indicação de um máximo. A leitura deste valor é convertida em N (kgf), através do gráfico de calibração do anel dinamométrico. Para obtenção do valor de estabilidade, basta corrigir o valor anotado anteriormente, o qual é adotado como “estabilidade lida”, para a espessura do corpo de prova ensaiado, multiplicando por um fator em função da espessura do CP, o qual pode ser obtido na Tab. 3.1. Tabela 3.1 – Correção da estabilidade em função da espessura do corpo de prova (DNER-ME 43/95). Espessura (mm) Fator Espessura (mm) Fator Espessura (mm) Fator 50,8 51,0 51,2 51,6 51,8 52,0 52,2 52,4 52,6 52,9 53,1 53,3 53,5 53,8 54,0 54,2 1,47 1,45 1,44 1,43 1,42 1,41 1,40 1,39 1,38 1,37 1,36 1,35 1,34 1,33 1,32 1,31 56,3 56,6 56,8 57,12 57,4 57,7 58,1 58,4 58,7 59,0 59,3 59,7 60,0 60,3 60,6 60,9 1,22 1,21 1,20 1,19 1,18 1,17 1,16 1,15 1,14 1,13 1,12 1,11 1,10 1,09 1,08 1,07 64,3 64,7 65,1 65,6 66,1 66,7 67,1 67,5 67,9 68,3 68,8 69,3 69,9 70,3 70,8 71,4 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,89 0,88 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83 Continua 19 Espessura (mm) 54,5 54,7 54,9 55,1 55,4 55,6 55,8 56,1 Fator 1,30 1,29 1,28 1,27 1,26 1,25 1,24 1,23 Espessura (mm) 61,1 61,4 61,9 62,3 62,7 63,1 63,5 63,9 Fator 1,06 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00 0,99 Espessura (mm) 72,2 73,0 73,5 74,0 74,6 75,4 76,2 Fator 0,82 0,81 0,80 0,79 0,78 0,77 0,76 (continuação) 3.1.1. Cálculo dos parâmetros Através do ensaio Marshall pode-se calcular alguns parâmetros para qualificar o corpo de prova analisado, sendo estes, conforme DNER 43/95: a) Densidade aparente: calculada para verificar a porcentagem de vazios do agregado mineral e para controle de compactação, conforme a Eq. (3.1). MaM Md − = (3.1) Onde: M = massa do corpo de prova Ma = massa do corpo de prova imerso em água b) Porcentagem de vazios (Vv): relação entre volume de vazios ocupado pelo ar e volume total da mistura, calculado através da Eq. (3.2). 100×−= D dDVv (3.2) Onde: D = densidade máxima teórica da mistura d = densidade aparente da mistura 20 c) Densidade máxima teórica (DMT): densidade da mistura sem os vazios, calculada através da Eq. (3.3). Gf f GAm Am GAg Ag Ga a DMT %%%% 100 +++ = (3.3) Onde: %a = teor de asfalto em relação à massa total da mistura %Ag = porcentagem de agregado graúdo %Am = porcentagem de agregado miúdo %f = porcentagem de fíler Ga = massa específica real do asfalto Gag = massa específica real do agregado graúdo GAm = massa específica real do agregado miúdo Gf = massa específica real do fíler d) Porcentagem de vazios do agregado mineral (VAM): volume total de vazios mais o volume ocupado pelo asfalto na mistura, em porcentagem. Este parâmetro é necessário, pois, se a mistura sofrer uma consolidação imposta pelo tráfego, poderá haver acréscimo na plasticidade e, a redução do volume de vazios pode fazer com que a porcentagem de asfalto que preencheria os vazios se torne excessiva. Com isso, o revestimento asfáltico pode sofrer deformações e até mesmo rupturas. O cálculo deste parâmetro está expresso na Eq. (3.4). db bdVvVAM %% ×+= (3.4) Onde: Vv = volume de vazios (%) d = densidade aparente da mistura %b = porcentagem de asfalto db = densidade do asfalto 21 e) Relação betume-vazios: este parâmetro define qual a porcentagem de agregado mineral é preenchida por betume, conforme Eq. (3.5). VAM VvVAMRBV −=% (3.5) Onde: VAM = volume de vazios do agregado mineral (%) Vv = porcentagem de vazios 3.1.2. Parâmetros para análise dos resultados Para analisar os resultados de estabilidade, fluência e volume de vazios a Fig. 3.4 apresenta os parâmetros conforme o DAER (2001), para tráfego pesado. Estes parâmetros foram utilizados como referência para comparar os resultados obtidos nos ensaios das misturas morna e quente, apresentados no próximo capítulo. Método de projeto Marshall Tráfego Pesado Mínimo Máximo 1) Número de golpes em cada face do CP - 75 2) Estabilidade 800 Kgf - 3) Fluência 8(1/100”) / 2 mm 16 (1/100”) / 4mm 4) Vazios de ar (%) 3 5 5) Relação betume – vazios 75 82 Figura 3.4 – Parâmetros Marshall. (DAER, 2001). 22 3.2. Ensaio de resistência à tração por compressão diametral (RT) Para realização deste ensaio, a aparelhagem necessária está descrita na norma DNER-ME 138/94. Os corpos de prova analisados foram extraídos diretamente do campo, através de sonda rotativa, com dimensões de 3,50 cm a 6,50 cm de altura e diâmetro de 10 ± 0,2 cm. Primeiramente os CPs foram medidos com o paquímetro, em todas as direções, adotando a média dos valores das quatro leituras. Do mesmo modo com o diâmetro, mediu-se com o paquímetro nas três posições paralelas e foi adotada a média aritmética das leituras. Ainda conforme a norma DNER-ME 138/94, o corpo de prova foi colocado em estufa por duas horas, de modo a obter a temperatura específica do ensaio de 25° C, 30° C, 45° C ou 60° C. Neste trabalho adotou-se a temperatura de 25°C, para simular as condições de temperatura da região. Em seguida, o corpo de prova foi posicionado horizontalmente sobre o prato da prensa, verificando a retilineidade das geratrizes com ambos os pratos. Através do pórtico de Lotmann acoplado na prensa Marshall, conforme Fig. 3.5, a carga foi ser aplicada progressivamente, com velocidade de deformação de 0,8 ± 0,1 mm/s até que se deu a ruptura, por separação das metades do corpo de prova, no plano diametral vertical e este valor foi anotado. Figura 3.5 – Pórtico de Lotmann (MORILHA JR., 2006). 23 3.2.1. Cálculo da RT (DNER-ME 138/94) A partir do valor anotado, o cálculo da RT se dá através da Eq. (3.6). DH F R pi σ 2 = (3.6) Onde: Rσ = resistência à tração (kgf/cm²) F = carga de ruptura (kgf) D = diâmetro do corpo de prova (cm) H = altura do corpo de prova (cm) 3.2.2. Parâmetros para análise dos resultados Para análise comparativa dos resultados de RT obtidos, a Fig. 3.6 apresenta o parâmetro com valor mínimo aceitável pela especificação do DNIT-ES 031/2006. Características Método de ensaio Camada de rolamento Resistência à tração por compressão diametral estática a 25°C, mínima, MPa DNER-ME 138 0,65 Figura 3.6 – Parâmetros de dosagem (DNIT-ES 031/2006). 3.3. Caracterização dos materiais 3.3.1. Agregados Os agregados utilizados são provenientes da Pedreira J.A., de Casca/RS, a qual fornece o agregado para toda obra no trecho da ERS-324. O controle dos agregados é feito de forma semanal pelo laboratório da obra, como pode ser observado no Apêndice A. 24 3.3.2. Ligante asfáltico O ligante asfáltico para as misturas quente e morna é o CAP Stylink 60/85 da empresa Greca, sendo que, para mistura morna, ele é modificado pela adição do Evotherm™. Não é necessário fazer alteração na usina para utilizar o CAPcom Evotherm™, o mesmo já vem pronto do fabricante e o processo de usinagem é o mesmo. 3.4. Verificação da compactação Para verificação da obtenção do grau de compactação esperado, existem duas formas de ensaio, de acordo com o preconizado por Bernucci et al. (2008). A primeira delas consiste em remover os CPs da camada compactada, realizando análises em laboratório e, a segunda, se dá pela utilização de densímetros com fontes radioativas ou eletromagnéticas, que bastam ser posicionados sobre a superfície da camada asfáltica. O adensamento de uma mistura asfáltica na pista ocorre pela ação dos rolos compactadores, onde a fase de rolagem de compactação determina a densidade que deve ser alcançada, enquanto a rolagem de acabamento faz apenas a correção final de eventuais falhas na superfície da camada (BERNUCCI et al., 2008). Conforme especificado na norma DNIT 031/2006 – ES, o controle do grau de compactação (GC) deve ser feito através da medição da densidade aparente dos CPs, extraídos em campo por meio de brocas rotativas, em locais aleatórios do trecho de trabalho. Os valores de GC não devem ser inferiores a 97% ou superiores a 101% em relação à massa específica aparente do projeto da mistura. Os corpos de prova extraídos foram os mesmos rompidos, posteriormente, no ensaio de resistência à tração, sendo 36 CPs de mistura morna e 15 CPs de mistura quente. 3.5. Comparativos financeiros Os comparativos financeiros, a fim de verificar se houve economia no processo de usinagem na mistura morna, foram efetuados através de levantamentos de dados in loco. Os dados foram obtidos por meio de mensuração de insumos como: combustível, óleo xisto, ligante asfáltico, agregados graúdos e miúdos e demais aditivos utilizados, verificados a partir dos controles da obra. 25 Para verificação, os dados foram organizados em planilha, na forma de composição de preço unitário, com as quantidades correspondentes de cada insumo necessárias para produzir uma tonelada de mistura asfáltica. O resultado foi calculado em moeda corrente nacional, utilizando-se de cotação de preços das empresas fornecedoras de insumos para esta obra, com comparação percentual entre valores obtidos para cada tipo de mistura (convencional ou morna). 26 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES A seguir serão apresentados os resultados referentes ao estudo das misturas mornas comparadas com as misturas a quente, convencionalmente produzidas, através dos parâmetros Estabilidade, Fluência e Volume de Vazios, obtidos pelo Ensaio Marshall. Ainda serão apresentadas as análises dos ensaios de RT e compactação, bem como o comparativo financeiro entre as misturas asfálticas com e sem Evotherm™, do trecho em estudo. Cabe ressaltar que, durante a usinagem da mistura morna, não foi possível baixar a temperatura (ideal em torno de 140°C), devido à umidade do agregado, pois o mesmo não estava sendo perfeitamente recoberto pelo ligante – uma das principais características da adição do aditivo químico ao agir como tensoativo. Assim, todo estudo foi realizado com temperaturas na faixa de 170°C, independente do tipo de mistura usinada, permitindo a secagem do agregado. Esta ressalva não interfere nos resultados do estudo, uma vez que a comparação aqui efetuada é voltada para a utilização do aditivo Evotherm™ na mistura, verificando se o mesmo cumpre com o esperado quando adicionado em uma mistura asfáltica. O aditivo possibilita a redução de temperatura, porém também permite seu emprego em temperaturas normais de usinagem de mistura convencional. 4.1. Ensaio Marshall No Apêndice B se encontram os valores obtidos no ensaio Marshall, realizados a cada dia de usinagem. Os dias em que se utilizou asfalto morno com Evotherm™ estão destacados nas planilhas do apêndice. Como referência para análise dos resultados, a Fig. 3.4, apresentada no capítulo anterior, foi utilizada. 27 Na Tab. 4.1 estão expressos os valores de estabilidade e fluência, com a média, o desvio padrão e coeficiente de comparação para cada tipo de mistura. Tabela 4.1 – Valores de estabilidade e fluência por tipo de mistura. Mistura quente Mistura morna Estabilidade (kgf) Fluência (1/100”) Estabilidade (kgf) Fluência (1/100”) 1.253,00 1.219,00 1.233,00 1.221,00 1.219,00 1.254,00 1.253,00 1.251,00 1.263,00 1.250,00 1.264,00 13,46 13,17 15,10 11,53 10,98 14,53 14,43 13,70 14,47 14,47 14,33 1.231,00 1.222,00 1.227,00 1.240,00 1.257,00 1.247,00 1.234,00 1.220,00 1.244,00 1.248,00 1.226,00 1.244,00 1.225,00 1.247,00 1.245,00 1.236,00 1.242,00 1.244,00 1.239,00 1.236,00 1.223,00 1.236,00 1.237,00 1.242,00 1.248,00 1.241,00 11,74 10,49 11,11 11,23 12,34 13,11 13,00 13,41 14,32 13,33 11,58 12,18 14,22 12,33 10,63 11,09 11,97 11,27 11,76 11,76 12,45 11,34 13,73 12,37 10,87 12,30 1.241,00 1.245,00 1.224,00 1.244,00 1.234,00 1.226,00 1.245,00 1.218,00 1.244,00 1.255,00 12,63 12,27 13,49 10,70 12,39 13,13 12,50 11,87 13,50 14,50 Média 1.244,00 13,65 1.238,00 12,30 Desvio Padrão 17,34 1,31 9,95 1,07 Coef. variação (%) 1,39 9,60 0,80 8,70 28 Para facilitar a análise dos dados, o gráfico das Fig. 4.1 e Fog. 4.2 expressa os valores obtidos de cada mistura, para estabilidade e fluência, com relação ao parâmetro do DAER (2001). Analisando os resultados dos corpos de prova com mistura asfáltica quente e com mistura asfáltica morna, nota-se que os valores ficaram próximos no quesito estabilidade, com alguns valores ligeiramente superiores na mistura quente. Comparando os resultados finais da Tab. 4.1, em média, a mistura quente apresentou valores 0,48% maiores que a mistura morna, o que as torna praticamente equivalentes, uma vez que a dispersão também foi baixa (1,39%), o que caracteriza a proximidade dos valores encontrados. Sendo a estabilidade um parâmetro que mede a carga máxima que a mistura pode suportar, a mistura morna demonstrou um comportamento equiparado com o da mistura quente, esta última conhecida por sua alta resistência e largamente utilizada em rodovias de alto tráfego. Assim, a utilização do aditivo Evotherm™ não acarreta prejuízos na resistência Figura 4.1 – Gráfico comparativo dos valores de estabilidade. Figura 4.2 – Gráfico comparativo dos valores de fluência. 29 da mistura asfáltica, o que corrobora com teorias apresentadas neste trabalho, de que a mistura morna é capaz de manter as características de uma mistura convencional, sob ponto de vista da resistência. Comparando os resultados de fluência, em geral a mistura morna mais uma vez apontou resultados inferiores aos da mistura quente, desta vez com uma diferença mais significativa, em média, onde a mistura quente apresentou valores 10,96% mais altos, comparando as médias obtidas na Tab. 4.1. A medida da fluência indica o quanto a mistura vai se deformar sem se romper, determinando a elasticidade da massa asfáltica. Valores muito elevados podem acarretar patologias como ondulações na pista, além de um “esmagamento” da mistura, assim como valores muito baixos podem significar uma tendência maior ao trincamento, com pouca elasticidade na massa (MARQUES, 2012). Neste caso, os valores no geral ficaram dentrodos limites estabelecidos na norma do DAER (2001), onde a mistura morna apresentou valores medianos em relação ao parâmetro e alguns valores da mistura quente se aproximaram mais do limite superior que estabelece a especificação apresentada na Fig. 3.4 do capítulo anterior. Portanto, pode-se dizer que a mistura produzida de modo convencional, com asfalto quente, poderá apresentar deformações permanentes maiores que a mistura morna, uma vez que apresentou fluência maior em média, porém em ambos os casos não haverá prejuízos no âmbito geral, uma vez que os valores estão dentro do intervalo permitido. Com relação ao parâmetro de volume de vazios (Vv), segundo Marques (2012), sabe-se que misturas com valores elevados de Vv podem sofrer com a oxidação do ligante, reduzindo sua vida útil, o que pode proporcionar, também, a permeabilidade ao ar e a água. Como visto anteriormente, é o volume de vazios ocupado pelo ar e o volume total da mistura. Como pode ser observado na Tab. 4.2, ambas as misturas apresentaram valores muito próximos, em geral mais aproximados do limite inferior (3%) da Fig. 3.4, o que indica que a adição de Evotherm™ não acarreta grandes alterações neste índice, mantendo a mistura dentro dos padrões estipulados em norma, não promovendo maior permeabilidade na massa em comparação às misturas convencionais. 30 Tabela 4.2 - Valores de Vv conforme tipo de mistura Volume de Vazios (%) Mistura quente Mistura morna 3,70 3,67 3,60 3,65 3,70 3,51 3,73 3,47 3,58 3,50 3,56 3,64 3,72 3,76 3,40 3,69 3,51 3,65 3,65 3,60 3,65 3,54 3,56 3,53 3,70 3,68 3,63 3,61 3,70 3,71 3,64 3,73 3,52 3,65 3,64 3,58 3,62 3,50 3,59 3,64 3,65 3,28 Média 3,60 3,64 Desvio Padrão 0,09 0,10 Coef. variação (%) 2,50 2,75 4.2. Ensaio de resistência à tração por compressão diametral (RT) A especificação do DNIT-ES 031/2006 determina valores mínimos aceitáveis para a RT, de acordo com a Fig. 3.6 apresentada no capítulo anterior. Sendo assim, para camada de rolamento, o valor mínimo deve ser de 0,65 MPa. 31 Na Tab. 4.3 estão destacados os valores de resistências calculados em cada usinagem, com respectiva média, desvio padrão e coeficiente de variação conforme tipo de mistura asfáltica. Tabela 4.3 – Valores de RT conforme tipo de mistura Mistura quente Mistura morna RT (MPa) RT (MPa) 1,14 1,19 1,22 1,18 1,17 1,20 1,16 1,11 1,08 1,10 1,10 1,09 1,14 1,12 1,12 1,16 1,21 1,15 1,21 1,15 1,12 1,12 1,15 1,13 1,15 1,16 1,13 1,11 1,13 1,12 1,10 1,11 1,11 1,10 1,13 1,12 1,12 1,10 1,13 1,12 1,12 1,11 1,10 1,13 1,12 1,14 1,11 1,10 1,12 1,11 1,11 Média 1,14 1,12 Desvio Padrão 0,04 0,03 Coef. de variação (%) 3,50 2,68 32 Analisando os valores apresentados, as duas misturas apresentaram valores que atendem à especificação de serviço DNIT-ES 031/2006, com valores superiores ao mínimo de 0,65 MPa. Para facilitar a análise, na Fig. 4.3 consta o gráfico comparativo dos valores resultantes do ensaio com o mínimo especificado em norma. A mistura asfáltica quente apresentou valor médio ligeiramente superior ao da mistura morna (1,79%), comparando as médias obtidas na Tab. 4.3, representando uma breve vantagem em termos de resistência, que pode ser desprezada se considerar a proximidade dos valores encontrados. Segundo Bernucci et al. (2008), altos valores de resistência podem ser associados a uma maior resistência à fadiga da mistura ao longo de sua vida útil. Porém, uma RT aumentada nem sempre representa vantagem, uma vez que uma mistura muito rígida acarreta diminuição da flexibilidade e consequente aumento do módulo de resiliência. Assim, a utilização do aditivo Evotherm™ não acarreta diferenças significativas em termos de resistência, onde mais uma vez corrobora com estudos apresentados de que a mistura morna é capaz de manter as características mecânicas da mistura convencional. 4.3. Grau de compactação (GC) O controle do grau de compactação foi executado em campo, com análise dos corpos de prova extraídos através de sondagens, verificando sua densidade aparente. De acordo com a especificação do DNIT-ES 031/2006, os valores devem estar situados entre 97% e 101%. Figura 4.3 – Gráfico comparativo dos valores de RT. 33 A Tab. 4.4 apresenta o GC da média dos CPs extraídos de cada usinagem, separados conforme tipo de mistura. Tabela 4.4 – Grau de compactação conforme tipo de mistura Mistura quente Mistura morna GC (%) GC (%) 99,89 100,00 99,82 99,84 99,74 99,91 99,76 99,90 99,85 99,91 99,92 99,90 99,88 99,91 99,90 99,69 99,68 99,76 99,96 100,01 99,88 99,94 99,88 99,84 99,73 99,88 99,88 99,87 99,74 99,74 99,78 99,83 99,71 99,71 99,88 99,73 99,89 99,93 99,79 99,94 99,79 99,94 99,96 99,86 99,91 99,84 99,90 99,92 99,90 99,90 99,90 Média 99,89 99,88 Desvio Padrão 0,07 0,09 Coef. de variação (%) 0,07 0,09 34 Todos os valores encontrados ficaram dentro dos limites exigidos na especificação DNIT-ES 031/2006 e, entre si, a média de GC da mistura morna se apresentou praticamente igual à média da mistura quente, como pode ser observado na Fig. 4.4. Estes resultados respaldam as teorias apresentadas neste trabalho, onde se diz que a mistura morna, graças às reações químicas promovidas pelo aditivo Evotherm™, deve proporcionar uma boa compactação através dos planos de deslizamento, apresentando também melhor trabalhabilidade da mistura. 4.4. Comparativo financeiro No Apêndice C estão apresentadas, em forma de composição de preços por produção, onde constam todos os insumos utilizados na usinagem das misturas asfálticas quente e morna. Nota-se, portanto, que os custos diferem apenas no ligante asfáltico, pois, para a mistura morna, o ligante é modificado pelo aditivo químico Evotherm™, o que encarece o valor. Como a temperatura de usinagem foi mantida em torno de 170°C nas duas misturas, os custos de energia elétrica permaneceram iguais, não havendo economia de energia nem de óleo de aquecimento da usina, que poderia ser economizado com redução da temperatura de usinagem para asfalto morno. Figura 4.4 – Gráfico comparativo dos valores de Grau de Compactação. 35 Assim, com os preços praticados pelos fornecedores da obra em estudo, o valor de usinagem da mistura quente convencional é de R$ 207,48 por tonelada enquanto a mistura morna apresentou valor 5,22% mais alto, sendo R$ 218,31 por tonelada. 4.5. Resumo comparativo de resultados Após análise de todos os parâmetros, na Tab. 4.5 estão reunidos todos os resultados da mistura asfáltica morna em comparativo com a mistura asfáltica convencional quente, de modo a resumir o que fora apresentado anteriormente. Tabela 4.5 – Resultados comparativos dos ensaiosMistura morna com Evotherm™ Mistura quente sem Evotherm™ Variação Estabilidade (kgf) 1.238,00 1.244,00 - 0,48% Fluência (1/100” 12,30 13,65 - 10,96% Vv (%) 3,64 3,60 + 0,99% RT (MPa) 1,12 1,14 - 1,79% G.C. (%) 99,88 99,89 - 0,01% Financeiro (R$) 218,31 207,48 + 5,22% 36 5. CONCLUSÕES Através dos ensaios realizados e analisados no decorrer deste trabalho, foi possível avaliar as propriedades da mistura morna, através das características e parâmetros Marshall, além de ensaio de resistência à tração por compressão diametral (RT), análise do grau de compactação e comparativos financeiros. Em geral, os resultados comprovaram o que se esperava no que condiz à semelhança de comportamento entre a mistura morna e quente, fazendo com que a adição de Evotherm™ não prejudique a resistência da mistura asfáltica. Como descrito no capítulo de resultados, devido aos problemas apresentados na usinagem da mistura morna, que incluíam a dificuldade em secar o agregado, a redução de temperatura no processo de usinagem não ocorreu como esperado. Considerando que a umidade do agregado poderia prejudicar a qualidade da massa e, ainda, que a mistura seria aplicada em trecho de obras de rodovias estaduais, optou-se por garantir a qualidade da mistura asfáltica, elevando a temperatura de usinagem, porém mantendo a adição do Evotherm™. Dessa forma, a avaliação comparativa deste trabalho levou em conta o fator aditivo químico, desprezando, assim, a redução de temperatura na usinagem. Assim, comparando os resultados obtidos, ficou evidenciado que a incorporação de um aditivo químico surfactante no ligante asfáltico é capaz de manter as características mecânicas e reológicas de uma mistura convencional. No decorrer dos ensaios, notou-se que os resultados da mistura morna, em comparação à mistura quente, foram praticamente equivalentes, principalmente em termos de resistência. Os resultados do ensaio de RT se mantiveram acima do valor mínimo estabelecido pelo DNIT, muito próximos, em média, dos valores obtidos nas misturas quentes, o que pode ser associado a uma boa resistência à fadiga durante a vida útil do pavimento. Com os resultados obtidos, foi possível comprovar, também, que a adição de Evotherm™ na mistura facilita o processo de compactação da mistura na pista, mesmo a temperaturas mais baixas na hora da aplicação, o que demonstra que o aditivo colabora na 37 trabalhabilidade da mistura asfáltica. Os resultados foram praticamente iguais aos da mistura quente, comprovando mais uma vez a manutenção das características mecânicas das misturas convencionais e, ainda, dentro dos parâmetros determinados na especificação DNIT-ES (031/2006). Mesmo sendo produzida na mesma temperatura que a mistura quente, a mistura morna era produzida no início da manhã e permanecia estocada, para posterior aplicação quando a temperatura ambiente passava de 3°C. Portanto, durante o tempo em que permanecia parada, a mistura morna ia se resfriando, sendo, então, produzida a temperaturas de mistura quente, porém compactada a temperaturas consideradas de mistura morna, somada a temperatura ambiente também baixa. A mistura quente convencional não deve ser aplicada em temperaturas ambientes inferiores a 10°C, uma vez que a viscosidade da massa aumenta, impossibilitando o processo de compactação, podendo inutilizar a mistura. Neste caso o comportamento da mistura morna é diferente justamente pela adição do Evotherm™, que age na tensão superficial do ligante, reduzindo a sua viscosidade e permitindo temperaturas mais baixas mesmo na compactação, graças aos planos de deslizamento formados pelas micelas, permitindo a homogeneidade da massa e a compactação mesmo a temperaturas mais baixas do que é possível com as misturas asfálticas convencionais. Ainda assim, financeiramente a mistura morna é menos atrativa, pois o ligante asfáltico modificado por Evotherm™ encarece o valor da tonelada de asfalto. Porém, os resultados são satisfatórios, o que possibilita outras vantagens com sua utilização, principalmente por permitir a usinagem e aplicação em dias frios, com temperatura ambiente abaixo de 10°C, o que não é possível com a mistura quente convencional. Sendo assim, os ganhos se dão em produtividade em campo, um parâmetro essencial numa obra de pavimentação asfáltica. Acredita-se que o fato de ter usinado ambas as misturas com temperaturas de 170°C tenha contribuído para não haver economia na usinagem da mistura morna. Com a redução da temperatura de usinagem, a tendência seria a menor utilização de combustível para aquecer a usina, além de reduzir o consumo de energia elétrica, o que poderia refletir no valor final da tonelada, trazendo, assim, ganhos na usinagem além dos ganhos obtidos em campo. Para fins de recomendação para estudos futuros, sugere-se uma análise da compactação a partir do acompanhamento do número de passadas de rolo, a fim de verificar se existe uma economia no processo de compactação em campo, corroborando com os 38 estudos anteriores que destacam que a mistura morna pode ser compactada com menos passadas de rolo. Cabe recomendar, ainda, a análise econômica no processo de usinagem, no que diz respeito ao consumo de energia elétrica e de combustível de queima, avaliando se com a redução de temperatura é possível atingir ganhos com a redução de energia, em contrapartida da oneração do ligante asfáltico. 39 REFERÊNCIAS ABEDA – Associação Brasileira das Empresas Distribuidoras de Asfalto. Manual básico de emulsões asfálticas. Rio de Janeiro, 2001. BERNUCCI, L.B. et al. Pavimentação asfáltica: formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro: PETROBRÁS: Abeda, 2008. CARTAXO, E.F. e PAIVA, T.S. 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DNIT-ES 031/2006: Pavimentos flexíveis – concreto asfáltico – especificação de serviço. Rio de Janeiro: IPR, 2006. MARQUES, Geraldo L.O. Notas de aula da disciplina de pavimentação. Faculdade de Engenharia da UFJF, Juiz de Fora, 2012. 40 MELLO, Daniella. Avaliação da adição de Evotherm no comportamento de misturas asfálticas em laboratório e no desempenho em campo. 2012. 259 f. Dissertação (Pós- graduação em Engenharia Civil) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2012. MORILHA JR., A. Caracterização do comportamento mecânico e a fadiga de misturas asfálticas. Fatos & Asfaltos, Florianópolis, dez. 2006. Disponível em: <http://www.grecaasfaltos.com.br/artigos_conteudos/fatos_e_asfaltos/fatos_08>. Acesso em: 15 out. 2015. MOTTA, R.; BERNUCCI, L.; VASCONCELLOS, P. Emissões de misturas asfálticas mornas e a quente devido à temperatura. São Paulo: 2013. Disponível em: <http://www.sinicesp.org.br>. Acesso em: 17 ago. 2015. PENZ, Gustavo. Propriedades mecânicas
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