Como dito anteriormente, todas as misturas utilizadas nesse trabalho foram obtidas dos projetos desenvolvidos pelo ADOT. Os projetos das misturas foram realizados pelo próprio departamento, por meio de contratos realizados com outros laboratórios credenciados. Dessa forma, para os projetos recentes, apenas a caracterização mecânica das misturas era realizada pelo APL. Dentre as misturas usualmente utilizadas pelo ADOT, podem-se destacar três tipos: mistura densa com ligante convencional, mistura descontínua e mistura aberta, ambas com ligantes modificados com borracha de pneu. Arizona foi o estado pioneiro na utilização de asfaltos modificados com borracha de pneu e possui a maior malha viária com este tipo de material aplicado, seja ele na forma descontínua ou aberta. Considerando os projetos de pavimentação que foram parte desse trabalho, todos possuíam em sua estrutura camadas de revestimento asfáltico com borracha de pneu, sendo, portanto, um procedimento comum face às vantagens deste tipo de material quando comparado com o comportamento das misturas convencionais.
Apenas para exemplificar, Arizona possui regiões nas quais temperaturas muito elevadas são comuns em grande parte do ano, ao mesmo tempo em que há certos locais nos quais os pavimentos estão sujeitos a temperaturas abaixo de zero. Por conta dessas peculiaridades, os diferentes problemas careciam de soluções alternativas e a utilização de ligantes modificados permitiu que grande parte dos defeitos existentes fosse resolvida. Misturas modificadas com borracha de pneu possuem maior resistência à deformação permanente e um melhor comportamento à fadiga do que as convencionais. Mais ainda, para locais onde trincas térmicas são problemas constantes, os ligantes com borracha comportam-se de maneira mais eficaz a baixas temperaturas (Kaloush et al. 2002).
Recentemente, camadas de revestimento asfáltico aberto com ligantes modificados com borracha de pneu vêm sendo utilizadas sobre pavimentos rígidos em algumas rodovias do
49 ADOT, como pode ser visto na Figura 3.1. A aplicação não tem nenhuma função estrutural, pois a camada geralmente possui espessuras de até 2,5 cm, mas o objetivo de sua aplicação está na redução do ruído provocado pelo tráfego em pavimentos rígidos. Um possível problema que pode ocorrer nesse tipo de solução está na possibilidade da reflexão de trincas nas juntas existentes nos pavimentos rígidos. Entretanto, como as misturas modificadas possuem uma resistência à fadiga muito superior às misturas convencionais, a reflexão não acontece, promovendo uma redução no ruído ao mesmo tempo de proteger o pavimento rígido.
Figura 3.1 – Aplicação de uma camada de revestimento asfáltico aberto sobre um pavimento rígido. Os ligantes com borracha, usados na confecção das misturas asfálticas utilizadas nessa pesquisas, são misturas de aproximadamente 20 % de borracha moída de pneus usados ou defeituosos. A borracha é adicionada ao ligante na usina de asfalto em altas temperaturas e misturada com equipamento de alto efeito cisalhante. O tempo de mistura geralmente se encontra entre 45 a 60 minutos, sendo então produzido um ligante homogêneo e com propriedades elásticas. Após a preparação do ligante, o mesmo é bombeado para então proceder a mistura com os agregados. A partir daí, o procedimento de aplicação é quase o mesmo das misturas convencionais, apenas com alguns detalhes práticos particulares. A Figura 3.2 mostra estruturas de pavimento que são comumente encontradas no estado do Arizona. Como pode ser visto, a camada de revestimento asfáltico é composta por dois ou três tipos de misturas, dependendo do projeto em questão e da restauração realizada na rodovia.
50 Figura 3.2 – Estruturas típicas de pavimentos no estado do Arizona.
As curvas granulométricas normalmente utilizadas para os três tipos de misturas são apresentadas na Figura 3.3. É importante ressaltar que todas as misturas utilizadas nesse trabalho possuem diâmetro máximo dos agregados de, no máximo, ¾” (19 mm). Essa informação é importante pelo efeito escala quando da fabricação das amostras. A Tabela 3.1 mostra os projetos para os quais foram realizados ensaios de fadiga a flexão nessa pesquisa, com os respectivos tipos de misturas que fazem parte dos mesmos, a percentagem e o tipo de ligante utilizado. A classificação do ligante utilizado segue aquela preconizada pela metodologia SUPERPAVE. Algumas outras misturas que serão incluídas nas análises deste trabalho fazem parte do banco de dados do APL e também são mostradas na referida tabela.
Figura 3.3 – Distribuição granulométrica de três tipos de misturas utilizadas na pesquisa.
As misturas modificadas com borracha utilizadas nesta pesquisa se diferenciam das misturas convencionais pela graduação e pela percentagem de ligante utilizada. As misturas descontínuas geralmente possuem aproximadamente 7 % de ligante e são utilizadas como camada estrutural final do pavimento, com espessuras de 4,0 a 5,0 cm. Já as misturas abertas contêm aproximadamente 9 % de ligante modificado, são usadas como camadas de desgaste e possuem características específicas tais como a redução do ruído, acréscimo da capacidade de
51 drenagem e aumento da aderência pneu-pavimento. Os projetos dessas misturas são geralmente feitos baseando-se nas características volumétricas, já que muito pouco tem sido publicado com relação às propriedades necessárias como dados de entrada do programa MEPDG (Kaloush et al. 2006).
A Figura 3.4 apresenta o mapa do Estado do Arizona e os locais onde alguns projetos foram executadas, com o objetivo de demonstrar as diferentes localidades onde as misturas asfálticas foram aplicadas. Vale lembrar que o estado do Arizona possui regiões com climas diferenciados devido às grandes alterações de altitudes.
Figura 3.4 – Indicações dos locais onde alguns projetos foram executados no Estado do Arizona. Badger Springs
Silver Springs
Two Guns
JackRabbit
52 Tabela 3.1 – Projetos que foram utilizados nessa pesquisa, com os tipos de misturas e as respectivas siglas de identificação.
Projeto Identificação Sigla de Tipo de Mistura Ligante % Ligante PG do Observação
Burrow Creek BC7 Convencional 4,70 76-16 Misturas utilizadas nessa pesquisa BC4 Aberta 9,30 58-22 Kohls Ranch KR7 Convencional 5,40 64-22 KRTR7 Convencional 5,30 76-16
Silver Springs SS7 Convencional 5,30 70-22
SS4 Aberta 9,50 58-22 Badger Springs BS3 Descontínua 7,80 58-22 BS4 Aberta 9,0 58-22 BS7 Convencional 5,2 70-10 Jack Rabbit JR7 Convencional 4,80 64-22 JR3 Descontínua 7,30 58-22 JR4 Aberta 9,30 58-22 Two Guns TG7 Convencional 4,60 64-22 TG3 Descontínua 7,00 58-22 TG4 Aberta 9,40 58-22
Antelope Wash AW7 Convencional 4,50 70-10
Misturas do banco de dados da
ASU
I17-5822-8 I17-5822 Descontínua 7,50 58-22
I17-6416-8 I17-6416 Descontínua 8,90 64-16
Salt River Base 76-16 SRB7616 Convencional 4,20 76-16
Salt River Base 64-22 SRB6422 Convencional 4,55 64-22
Salt River Base 70-10 SRB7010 Convencional 4,25 70-10
Bidahochi Base 58-28 BDB5828 Convencional 5,00 58-28
Bidahochi Base 64-22 BDB6422 Convencional 5,25 64-22
Salt River 3/4" 76-16 SR7616 Convencional - 76-16
Salt River 3/4" 64-22 SR6422 Convencional - 64-22
Salt River 3/4" 70-10 SR7010 Convencional - 70-10
Bidahochi 3/4" 58-28 BD5828 Convencional - 58-28
53 3.3. ENSAIO DE MÓDULO DINÂMICO
Neste trabalho, as propriedades viscoelásticas das misturas foram obtidas por meio de ensaios de módulo dinâmico em amostras cilíndricas. Esses ensaios fazem parte da campanha de ensaios que o APL/ASU é contratado para caracterizar mecanicamente as misturas utilizadas nos projetos do ADOT. Além dos ensaios de fadiga a flexão, ensaios de módulo dinâmico, fluência estático e dinâmico e ensaios de fluência a baixas temperaturas em conjunto com resistência à tração por compressão diametral, são aqueles utilizados para a caracterização mecânica das misturas asfálticas no laboratório da ASU.
Os ensaios de módulo dinâmico foram realizados em amostras cilíndricas, com diâmetro de 10,0 cm por 15,0 cm de altura, produzidas a partir corpos de prova moldados no compactador giratório. A metodologia de teste seguiu o disposto no projeto NCHRP 1-37A – Test Method DM 1. Os ensaios foram realizados em cinco temperaturas (-10°C, 4°C, 21°C, 37°C e 54°C) e seis freqüências cada (25, 10, 5, 1, 0,5, e 0,1 Hz), com um tempo de 60 segundos entre cada freqüência para permitir alguma recuperação da amostras antes da aplicação da próxima seqüência de carregamento. É importante ressaltar que a seqüência de ensaio é feita com a temperatura crescente e sob freqüência de oscilação decrescente, evitando, assim, que maiores deformações possam vir a interferir nos resultados subseqüentes.
A Tabela 3.2 ilustra a metodologia de ensaio utilizada. Geralmente, três amostras eram testadas para cada condição de ensaio, possibilitando verificar variações atípicas nos resultados. Misturas asfálticas são materiais heterogêneos e por muitas vezes os resultados observados nos LVDT’s instalados na mesma amostra apresentam resultados díspares, o que pode ser resultado da distribuição granulométrica em uma determinada seção da amostra. A Figura 3.5, ilustra a amostra preparada após a compactação e o esquema de utilização dos LVDT’s instalados nas mesmas.
Tabela 3.2 – Esquema que demonstra a campanha de ensaios de módulo dinâmico para criação da Curva Mestra.
Temp. (°C) Freq. (Hz) Ciclos Período de Descanso (s)
Ciclos para cálculo de E*
-10, 4, 21, 37, 54 (caso não seja
especificado nenhuma outra) 25 200 - 196 - 200 10 100 60 96-100 5 50 60 46-50 1 20 60 16-20 0,5 15 60 11-15 0,1 15 60 11-15
O ensaio de módulo dinâmico foi realizado à tensão constante, com um carregamento
54
6. Esse limite tem o intuito de garantir que o material se encontra dentro do campo da
viscoelasticidade linear. Os testes realizados nas misturas convencionais foram realizados sem confinamento. Contudo, para as misturas abertas e descontínuas, foram realizados ensaios sem e com confinamento, sob uma pressão de aproximadamente 138,0 kPa. O atrito no topo e na base entre o sistema de carregamento e a amostra é um problema usualmente existente em ensaios à compressão. Para inibir que tensões cisalhantes possam atuar na amostra durante a realização dos ensaios, pares de membranas de borracha foram lubrificadas com um tipo de graxa e instaladas no topo e na base de cada amostra para a realização do ensaio.
Figura 3.5 – (a) amostra preparada após compactação; (b) esquema de utilização dos LVDT’s em misturas asfálticas (modificado – Kaloush et al. 2006); (c) amostra preparada para o ensaio, com LVDT’s verticais e radiais.
A qualidade dos resultados pode ser checada por meios dos gráficos construídos no plano Cole-Cole, pelos diagramas denominados Black Space e pelas curvas que relacionam o módulo dinâmico com a freqüência de ensaio. A Curva Mestra foi determinada utilizando a temperatura de referência de 21°C, quando não especificada nenhuma outra, por meio do princípio da superposição tempo-temperatura. O procedimento para o cálculo dos coeficientes descritos nas Equações 2.9 e 2.10 foi feito com a ferramenta “Solver” da planilha eletrônica do MicrosoftTM Excel, no qual utiliza uma otimização não linear para o cálculo dos sete coeficientes simultaneamente. Pode-se obter a Curva Mestra para as amostras individualmente, assim como resultados considerando o valor médio determinado entre as mesmas. Para maiores detalhes do procedimento de teste e da teoria referente à determinação da Curva Mestra, diversas referências são disponibilizadas na literatura técnica (Witczak et al. 2002).