As misturas asfálticas são aglomerações de agregados pétreos ou areia e materiais asfálticos que em proporções adequadas garantem requisitos estruturais e funcionais no revestimento de pavimentos flexíveis. Os principais requisitos que devem ser atingidos pela estrutura do pavimento são: impermeabilidade, flexibilidade, estabilidade, resistência à derrapagem, elevada vida de fatiga e resistência ao trincamento térmico quando submetidos às solicitações de cargas provenientes do tráfego e à ação do clima (Bernucci et al., 2008).
A fim de satisfazer aos diferentes requisitos estruturais e funcionais dos pavimentos surgiram diferentes tipos de misturas asfálticas envolvendo diversos fatores e aspectos a serem observados, tais como: tráfego e período de projeto; geometria da via e morfologia do relevo; tipos de materiais asfálticos; técnicas construtivas; propriedades físico-químicas e mineralógicas dos materiais pétreos e fíleres eventualmente usados; processos construtivos; temperaturas suportadas pelos materiais, entre outros (Ceratti, et al., 2015). Os revestimentos de pavimentos rodoviários e aeroportuários utilizam tradicionalmente as misturas asfálticas fabricadas à “quente” envolvendo altas temperaturas de aquecimento dos materiais (150 °C a 180 °C) por apresentarem maior durabilidade e menor susceptibilidade à ação da água em relação às demais, apesar de exigirem um maior custo de fabricação. Temperaturas elevadas como as utilizadas facilitam o processo de mistura e possibilitam a melhor compactação.
Do ponto de vista da distribuição granulométrica e do arranjo de partículas dos agregados, classicamente as misturas asfálticas podem ser classificadas em: bem-graduadas ou densas; abertas ou contínuas; uniformes e descontínuas. As misturas asfálticas densas, apresentam um
maior intertravamento entre os agregados criando um volume baixo de vazios (3% a 5%), o que torna a superfície do pavimento impermeável ao fluxo água. Já as misturas abertas, uniformes ou descontínuas, devido à uniformidade de tamanho das partículas ou descontinuidade entre elas, conforme o caso, apresentam menor intertravamento entre as partículas, e propiciam um alto volume de vazios permitindo o fluxo de água entre as partículas. As misturas asfálticas descontínuas, comumente denominadas de camada porosa de atrito CPA ou concreto drenante, são utilizadas para a rápida evacuação de água como medida de segurança em pavimentos rodoviários e aeroportuários.
As Camadas Porosas de Atrito (CPA) ou concretos asfálticos drenantes surgiram com o objetivo de aumentar a segurança dos revestimentos dos pavimentos por meio do aumento da interação pneu-pavimento em especial em períodos chuvosos quando elimina a camada de água que se coloca entre o pneu e o revestimento na mituras betuminosas convencionais (CBUQ – Concreto Asfáltico Usinado a Quente). A formação da lâmina de água sobre a superfície do pavimento, também conhecida como hidro ou aquaplanagem, torna-se uma condição desfavorável do ponto de vista da segurança por afetar reduzindo a interação pneu-pavimento. Neste sentido, as águas da chuva se infiltram na camada superficial porosa e escoam por meio dos vazios comunicantes da mistura CPA sendo captadas pelos sistemas de drenagem. Imediatamente abaixo da camada CPA deve existir uma superfície impermeável, que ao mesmo tempo impede a continuidade do fluxo descencente da água e permite o escoamento da água até atingir o sistema de drenagem do pavimento geralmente localizado no acostamento (Mallick et al., 2000) . A Figura 2.8 apresenta o sistema de funcionamento da camada porosa de atrito ou concreto asfáltico drenante.
Figura 2.8 Sistema de funcionamento da camada porosa de atrito CPA (Oliveira, 2003).
O tempo de infiltração e evacuação da água da chuva através da estrutura do pavimento depende da espessura e permeabilidade da mistura CPA, da textura da superfície e das declividades transversal e longitudinal das camadas permeável e impermeável, da disposição dos sistemas de
drenagem externos, entre outros. Neste contexto, torna-se importante a quantificação do volume de vazios comunicantes e a contínua limpeza para evitar a colmatação dos mesmos a fim de garantir o fluxo de água (Mallick et al., 2000).
A utilização da CPA proporciona aumento das caraterísticas funcionais do pavimento, tais como: aumento da aderência entre o pneu-pavimento, redução da hidroplanagem e viscoplanagem, inexistência da névoa formada pelas passagens de veículos após da chuva, aumento da macrotextura, aumento da visualização da sinalização horizontal pela redução da reflexão luminosa, entre outros (Oliveira, 2003 & Guimarães, 2012). O tráfego de veículos sobre revestimentos de misturas CPA, proporcionam menor resistência ao rolamento e diminuem o consumo de combustível na ordem do 1% a 2% (Fabb (1992) & Lefebvre (1993) Apud Homem, 2002). Além das caraterísticas funcionais, os concretos drenantes apresentam boa capacidade de redução dos ruídos e absorções acústicas provenientes do tráfego, diminuindo o impacto ambiental e a poluição sonora sofrido pela vizinhança em vias urbanas e rodovias (Oliveira, 2003) (Callai, 2011).
Devido à elevada percentagem de vazios da mistura CPA, o ar localizado à frente do pneu tende a penetrar pelos vazios na CPA, reduzindo o bombeamento do ar. Com a redução do bombeamento do ar, acontece uma diminuição dos ruídos, cuja ordem de grandeza varia com o tamanho e granulometria dos agregados, espessura da camada, tipo de ligante asfáltico, e o teor de vazios comunicantes (Swart, 1997 apud Meurer Filho, 2001).
Apesar das vantagens apresentadas na mistura CPA pela melhoria das caraterísticas funcionais e segurança do pavimento, os concretos drenantes não cumprem uma função estrutural no pavimento. A colmatação (obstrução) dos vazios na mistura CPA é considerada uma grande desvantagem pela redução das funções de drenagem e acústicas do pavimento ao longo do tempo, gerando custos de manutenção para a limpeza e correta operação do pavimento poroso. Ao mesmo tempo, as misturas CPA apresentam altos custos de implantação devido à incorporação de ligantes asfálticos modificados para a prevenção do envelhecimento originado pela oxidação no contato água-asfalto que surge em consequência da sua própria finalidade, a drenagem da água. As primeiras aplicações e experiências dos concretos drenantes em pavimentos aeroportuários e rodoviários remetem às décadas dos anos 1980 e 1990 no Brasil.
O desempenho mecânico do pavimento flexível se dá em função do comportamento estrutural frente à ação das solicitações provenientes das cargas do trafego sendo também relevante o comportamento funcional (conforto e segurança dos usuários). O acumulo das solicitações na estrutura do pavimento pode gerar defeitos nas camadas do pavimento, principalmente no revestimento, que deteriora a estrutura do pavimento e minimiza a vida útil de serviço. A fim de minimizar os defeitos dos revestimentos asfálticos, principalmente pela desagregação dos materiais, tem-se utilizado diferentes técnicas e materiais que garantam a durabilidade no tempo. Surgiu então a ideia de utilizar novos aditivos que garantissem a durabilidade dos materiais. Neste sentido passou-se a usar a cal que atua como um aditivo multifuncional, que contribui para a diminuição de danos por umidade, envelhecimento químico do ligante asfáltico, falta de adesividade ligante-agregado, e atua no aumento do desempenho mecânico em relação à ocorrência de trincas por fadiga e à deformação permanente (Lesueur et al, 2013).
Experiências internacionais relatam que a utilização da cal em misturas asfálticas aumenta a vida útil dos revestimentos asfálticos. Estima-se que 10% dos revestimentos asfálticos nos EUA inclui adição de cal. No caso Europeu, a Holanda especifica nas normas de construção o emprego de cal nos revestimentos porosos, sendo que para o ano 2013, 70% deste tipo de revestimentos incluem a adição da cal (Lesueur et al, 2013). Diversos países europeus, especialmente a Áustria, França, Holanda, Reino Unido e Suíça, estão adotando a adição da cal em misturas asfálticas. Nestes países já se dispõe de casos de estudos práticos que relatam o aumento do desempenho mecânico das misturas asfálticas com o uso da cal (Lesueur et al., 2016).
A incorporação da cal em misturas asfálticas, pode ser realizada por meio da incorporação às superfícies das partículas graúdas ou miúdas pela via seca, úmida ou por meio da aplicação de lama de cal, com ou sem marinação. Ela pode também ser usada por meio da substituição parcial ou total do fíler (Bock, 2012). Os principais efeitos da cal em misturas asfálticas se referem a: Ampliação da resistência ao envelhecimento químico do ligante asfáltico como resultado das
reações químicas que ocorrem entre o hidróxido de cálcio e as moléculas altamente polares do asfalto.
Aumento da resistência ao dano pela umidade e variações de temperaturas ao aumentar a adesão na interface agregado-ligante e eliminar a sensibilidade à umidade.
Melhoria das propriedades mecânicas tais como o aumento da resistência à tração e do módulo de resiliência e minimização das deformações permanentes.
Núñez et al. (2007) relatam que a adição de 1% de cal sobre a massa total das misturas contribui para o aumento da ordem de 30% na resistência à tração e de 70% no módulo de resiliência. Em termos da deformação permanente, ensaios de creep dinâmico em misturas asfálticas com adição de 1% de cal sobre a massa total apresentaram uma redução do acúmulo de deformações permanentes de 21% em relação a uma amostra convencional sem uso da cal (Núñez, 2009).
3 METODOLOGIA
Neste capítulo descrevem-se os materiais e a metodologia utilizados para a elaboração das misturas asfálticas dos tipos Concreto Betuminoso Usinado a Quente (CBUQ) e Camada Porosa de Atrito (CPA). Este estudo divide-se em três partes: a primeira corresponde à caracterização física e química dos materiais alternativos usados como modificadores do ligante asfáltico; a segunda corresponde ao estudo dos ligantes asfálticos modificados, avaliando a interação asfalto - agente modificador em diferentes teores por meio de análises do comportamento físico e reológico; a terceira corresponde à avaliação das propriedades mecânicas das misturas asfálticas sem aditivos e considerando os ligantes modificados. As Figura 3.1 e 3.2 apresentam a metodologia de estudo de laboratório adotada para os ligantes asfálticos modificados e para as misturas asfálticas.
Amostra virgem e na condição de envelhecimento a curto prazo RTFOT
materiais alternativos Ligante Asfáltico asfaltos modificados Rejeitos de mineração CAP 50/70 amostra de refêrencia asfalto convencional - Asfalto Borracha AB-8 Laboratorio - Asfalto Borracha com BRA Residuos lodos de Estações de Tratamento d e Água ETA Borracha de pneus usados Elastômeros Fileres Filers Convencionais Minéro de Ferro
Amostra virgem e na condição de envelhecimento a curto prazo RTFOT
materiais alternativos Ligante Asfáltico asfaltos modificados Rejeitos de mineração CAP 50/70 amostra de referência Ensaios de caracterização: Penetração, ponto de amolecimento, ductilidade, estabilidade à estocagem
e viscosidade
Ensaios de comportamento reológico no DSR: curvas isócronas, curvas mestres, ensaio de fluência sob tensão múltipla - MSCR e Linear Amplitude Sweep - LAS asfalto convencional
- Asfalto Borracha AB8 - Asfalto com composto
de borracha CB Resíduos de Estações de Tratamento d e Água - Lodo de ETA Borracha de pneus usados Elastômeros Fíleres Fíler de Referência
Cal Minério de Ferro
Misturas Asfálticas
CBUQ Concreto Betuminoso Usinado a Quente
CPA Concreto Poroso