Comparação da densidade máxima de uma mistura asfáltica a quente utilizando o método teórico e o método Rice Antunes, A. Universidade do Oeste
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de
Santa
Catarina,
Joaçaba,
Santa
Catarina,
Brasil,
Universidade do Oeste de
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Nienov, F.
Resumo: Neste trabalho t rabalho foram comparados dois métodos de determinação da densidade máxima de uma mistura asfáltica a quente: o método teórico e o método de Rice, analisando a influência dos resultados na escolha do teor de projeto do ligante de uma mistura asfáltica tipo CBUQ. Os agregados e o ligante asfáltico foram submetidos a ensaios de caracterização física, segundo as normas vigentes. Após a moldagem dos corpos de prova determinou-se a densidade máxima de cada teor de CAP pelo método teórico e pelo método Rice. As densidades máximas obtidas pelo método Rice foram numericamente inferiores às obtidas pelo método teórico. Sendo o volume de vazios o principal parâmetro para determinação do teor de projeto do ligante asfáltico, a variação entre os dois métodos de dosagem foi de 0,8% de CAP. A dosagem Marshall em função da densidade máxima teórica levou a escolha de um teor de CAP de 5,5% e em função da densidade máxima medida um teor de CAP de 4,7%. Verificou-se que maiores teores de CAP atenderam as exigências das normas pertinentes pelo método Rice, que relacionou de forma coerente os parâmetros volumétricos aos parâmetros mecânicos, ao contrário contrário do método teórico que dificultou a escolha do teor ideal.
Abstract: In this work two methods of determining the maximum density of a hot asphalt mixture are compared: the theoretical method and the Rice method by analyzing the influence of the results in determining the design binder content of a hot asphalt mix. The aggregates and asphalt binder were tested for physical characterization, according to current standards. After preparing the specimens the maximum density was determined for each level of PAC by the theoretical and Rice methods. The maximum densities obtained by the Rice were numerically lower than those obtained by the theoretical method. As the void volume is the main parameter for determination of design asphalt binder, the variation between the two methods was 0.8% of percentage of asphalt. Dosing according to the Marshall maximum theoretical density has led to the choice of a content of 5.5% and depending on the density measured measured maximum content of 4.7% of asphalt. It was found that higher concentrations of asphalt, by the Rice method, met the requirements of the relevant standards, as the volumetric parameters were related coherently to mechanical parameters, unlike the theoretical method which made difficult the choice of the ideal content.
1 INTRODUÇÃO O método de dosagem mais utilizado no Brasil é o método Marshall, através do qual é escolhido o teor
de projeto do ligante asfáltico. A escolha é baseada principalmente no volume de vazios vazios da mistura. A determinação do volume de vazios depende da densidade máxima da mistura asfáltica, que pode ser calculada através de uma ponderação das densidades
reais dos materiais constituintes (método teórico) ou determinada em laboratório utilizando uma bomba de vácuo (método Rice). A densidade calculada pelo método teórico é chamada densidade máxima teórica (DMT) e definida na norma brasileira de dosagem de misturas asfálticas NBR 12891. O valor da DMT leva em consideração os componentes da mistura asfáltica na proporção que ocupam dentro da mistura, porém de forma separada, ou seja, não leva em conta a penetração de parte do ligante nos agregados. Segundo esta concepção, o ligante apenas envolveria os agregados, não penetrando nos seus poros. Já a densidade determinada pelo método Rice, chamada de densidade máxima medida (DMM), segue as instruções da norma americana ASTM D2041. A DMM é dada pela razão entre a massa do agregado mais ligante asfáltico e a soma dos volumes dos agregados, dos vazios impermeáveis, dos vazios permeáveis não preenchidos com asfalto e do total de asfalto. A vantagem do método é a obtenção da densidade da mistura asfáltica sem a necessidade da obtenção das densidades dos seus constituintes separadamente, além de já considerar a absorção de ligante pelos agregados. Castelo Branco (2004), Marques (2004) e Vasconcelos e Soares (2005) encontraram diferenças consideráveis nos valores de teor de ligante de projeto de misturas asfálticas ao utilizar o método teórico ou o método Rice. Também verificaram que quanto maior a porosidade dos agregados, maior a diferença encontrada entre DMT e DMM.
1.1 Justificativa A densidade máxima de uma mistura asfáltica é utilizada nos cálculos do volume de vazios, da absorção de asfalto pelos agregados, da massa específica efetiva do agregado e do teor de asfalto efetivo da mistura. As possíveis diferenças nos valores da densidade máxima obtidos pelo método teórico e pelo método Rice influenciam os parâmetros volumétricos e, consequentemente, a escolha do teor de projeto do ligante asfáltico. A escolha de um teor acima do ideal irá reduzir o volume de vazios, causando a instabilidade da mistura e a exsudação do ligante asfáltico. Já a escolha de um teor abaixo do ideal irá aumentar o volume de vazios, tornando o pavimento excessivamente permeável e acelerando o processo de deterioração do mesmo.
Logo, é necessária cautela na determinação da densidade máxima de uma mistura asfáltica, para que o teor de projeto do ligante asfáltico escolhido elimine o risco de patologias, garantindo a segurança dos usuários da estrada.
1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo Geral Comparar o método teórico de determinação da densidade máxima de uma mistura asfáltica a quente ao método Rice, analisando a influência dos resultados na escolha do teor de projeto do ligante asfáltico.
1.2.2
Objetivos específicos
a) determinar a densidade máxima de uma mistura asfáltica a quente pelo método teórico; b) determinar a densidade máxima de uma mistura asfáltica a quente pelo método Rice; c) analisar a influência da densidade máxima na escolha do teor de projeto do ligante asfáltico.
2 REVISÃO DE LITERATURA 2.1 Densidade Máxima A densidade máxima é utilizada nos cálculos de volume de vazios, absorção de ligante pelos agregados, massa específica efetiva do agregado e teor de asfalto efetivo da mistura asfáltica (BERNUCCI et al, 2007). Este parâmetro pode ser calculado através de uma ponderação das densidades reais dos materiais constituintes, método teórico definido pela NBR 12891 (ABNT, 1993) ou determinado em laboratório utilizando uma bomba de vácuo, método Rice apresentado na norma americana ASTM D2041 (American Society for Testing and Materials - ASTM, 2000).
2.2 Método Teórico No método teórico, a densidade máxima da mistura asfáltica é obtida através de uma ponderação das densidades de todos os materiais constituintes, agregados e ligante, e suas respectivas proporções (BERNUCCI et al, 2007). O valor da DMT leva em consideração os materiais constituintes da mistura asfáltica na proporção que eles ocupam dentro da mistura, porém de forma separada, ou seja, não leva em conta a penetração de parte do ligante nos agregados. Segundo esta concepção, o ligante
apenas envolveria os agregados, não penetrando nos seus poros (MARQUES, 2004).
2.3 Método Rice No método Rice, a densidade máxima é obtida pela razão entre o peso ao ar de um volume de mistura asfáltica não compactada a uma temperatura fixa e o peso de um volume igual de água destilada livre de ar a uma temperatura também fixa (MARQUES, 2004). O ensaio é realizado em temperatura ambiente, que é insuficiente para desestruturar os grumos entre agregados e ligante. O vácuo apenas expulsa o ar entre eles, os vazios entre agregados e ligante não se alteram durante o ensaio (FREITAS, 2007). O valor da DMM considera o volume de ligante absorvido pelo agregado durante sua mistura, refletindo o valor da densidade efetiva da mistura (BERNUCCI et al, 2007). Na equação da DMM, cujo valor é obtido de um único ensaio, utiliza-se o valor da densidade efetiva do agregado. Desta forma o valor esperado para a DMT deverá ser numericamente superior ao obtido pela DMM. A exclusão dos vazios permeáveis não preenchidos com ligante leva a maiores valores da DMT (MARQUES, 2004). A vantagem do método Rice é a obtenção da massa específica da mistura asfáltica sem a necessidade da obtenção das massas específicas dos seus constituintes separadamente, além de já considerar a absorção de ligante pelos agregados (BERNUCCI et al, 2007).
2.4 Influência da densidade máxima na escolha do teor de projeto de ligante asfáltico Marques (2004) comparou valores de DMT e DMM de misturas compostas por agregados com baixa absorção (0,6%) e misturas compostas por agregados com alta absorção (4,5%), e verificou que quanto maior a porosidade dos agregados, maior a diferença encontrada entre DMT e DMM. Devido aos baixos valores das densidades reais dos agregados obtidos pelos ensaios convencionais, através dos quais não há eliminação total dos vazios de ar dos poros. Assim, Marques (2004) recomenda bastante cautela na adoção da densidade máxima de misturas asfálticas, principalmente no caso de agregados porosos, já que este parâmetro influencia nos valores de todos os parâmetros volumétricos a serem calculados na dosagem e consequentemente na obtenção do teor de ligante de projeto. Coloca também o fato da imprecisão na determinação do valor da DMT, que, por ser obtido da média
ponderada entre as densidades de cada componente da mistura, acumula os erros envolvidos em todos os ensaios, enquanto a DMM é determinada a partir de um único ensaio e ainda apresenta resultado mais adequado para a obtenção dos parâmetros volumétricos. Castelo Branco (2004) também encontrou diferenças consideráveis nos valores de teor de ligante de projeto de misturas asfálticas ao utilizar DMT ou DMM. Além de também verificar que para algumas misturas dosadas em função das DMT os parâmetros volumétricos não atendiam os requisitos normalizados pela DNIT-ES 031 (DNIT, 2006). Vasconcelos e Soares (2005) mostram que o método teórico e o método Rice podem levar a uma variação de teor de projeto de asfalto de até 0,4% para agregados pouco porosos. Quando utilizados agregados muito porosos, essa variação aumenta em função da absorção de asfalto pelo agregado.
3 METODOLOGIA 3.1 Caracterização dos materiais Os agregados e o ligante asfáltico foram submetidos aos ensaios de caracterização física normalizados pelo DNIT.
3.1.2 Agregados A mistura asfáltica teve como agregados graúdos brita I e pedrisco e como agregados miúdos pó de pedra e areia natural. Os ensaios de caracterização física dos agregados contemplaram granulometria, massa específica, absorção, massa unitária, coeficiente de inchamento, adesividade ao ligante asfáltico, equivalente de areia, teor de material pulverulento e índice de forma das partículas.
3.1.3 Ligante Asfáltico O ligante asfáltico utilizado CAP 50/70, foi submetido aos ensaios de penetração, viscosidade, ponto de amolecimento e densidade.
3.2 Dosagem Marshall A dosagem das misturas asfálticas a quente seguiu a norma DNER – ME 043 (DNIT, 1995). Após a caracterização física do CAP e dos agregados, selecionou-se a faixa granulométrica de trabalho. Optou-se pela utilização da faixa granulométrica C da norma DNIT-ES 031 (DNIT, 2006).
4.1 Densidade Máxima Teórica A densidade máxima teórica foi calculada de acordo com a norma brasileira NBR 12891 (ABNT,1993). De posse das densidades dos agregados e do CAP e suas respectivas porcentagens na mistura asfáltica, a densidade máxima foi calculada pela Equação 1: (1) Figura 2: Mistura asfáltica em estado solto
Onde: DMT - densidade máxima teórica %a - porcentagem de ligante asfáltico %Ag, %Am e %f - porcentagens do agregado graúdo, agregado miúdo e fíler, respectivamente, expressas em relação à massa total da mistura asfáltica Ga, GAg, GAm e Gf - massas específicas reais do asfalto, do agregado graúdo, do agregado miúdo e do fíler, respectivamente
Colocou-se a amostra dentro do kitazato, onde foi submersa com água a temperatura ambiente, de acordo com a Figura 3.
4.2 Densidade Máxima Medida Figura 3: Amostra submersa A densidade máxima medida foi determinada de acordo com os procedimentos da norma norteamericana ASTM D2041 (ASTM, 2000). Inicialmente, calibrou-se o frasco kitazato com água a temperatura ambiente, determinando- se “B”, conforme Figura 1.
Em seguida, colocou-se o kitazato sobre um agitador mecânico e aplicou-se uma pressão de vácuo residual de aproximadamente 60 mmHg por um período de 15 minutos, a fim de se expulsar o ar existente entre os agregados recobertos pelo filme de ligante asfáltico. A Figura 4 apresenta o sistema para aplicação de pressão de vácuo residual composto pela bomba de vácuo e pelo agitador mecânico.
Figura 1: Calibração do kitazato Então, preparou-se a mistura asfáltica, deixando-a numa condição solta e pesou-se a amostra seca ao ar, determinando-se “A”. Conforme Figura 2.
Figura 4: Sistema para aplicação de pressão de vácuo residual Após o período de vácuo foi restabelecida a pressão ambiente no kitazato e completou-se o volume do recipiente com água a temperatura ambiente, evitando a inclusão de bolhas de ar.
O conjunto recipiente, mistura asfáltica e água foi pesado, determinando-se “C”. Conforme Figura 5.
5.2 Dosagem Marshall A partir da análise granulométrica dos agregados foi possível enquadrar a mistura dentro dos limites da faixa de trabalho C do DNIT. Por meio de tentativas, procurou-se proporcionar os agregados de modo que as frações respeitassem os limites da faixa de trabalho, encontrando-se uma proporção de 26% de brita I, 22% de pedrisco, 32% de pó de pedra e 20% de areia natural. A Figura 6 apresenta a proporção de cada agregado dentro da mistura.
Figura 5: Pesagem Final Por fim, anotou-se a temperatura da água
destilada, para determinação de “D”.
A densidade máxima foi obtida pelas relações entre massas e volumes determinados, de acordo com Equação 2: (2) Onde: DMM – densidade máxima medida A – massa da amostra seca ao ar (g) B – massa do recipiente com volume completo com água (g) C – massa do recipiente com amostra submersa em água (g) D – densidade da água na temperatura do ensaio
5 ANÁLISE RESULTADOS
E
DISCUSSÃO
DOS
5.1 Caracterização dos materiais Os resultados dos ensaios de caracterização física dos agregados atenderam aos requisitos mínimos exigidos pelas normas pertinentes e estão de acordo com outros autores citados. Apenas o resultado do ensaio de absorção excedeu o recomendado por outros autores, o que implicará na absorção de CAP pelos agregados e, consequentemente, maior consumo do mesmo. O ligante asfáltico também atendeu a todos os requisitos mínimos exigidos pelas normas vigentes. Somente o resultado do ensaio de adesividade não foi satisfatório, sendo recomendada a realização de novos testes a fim de se determinar o tipo e a quantidade do aditivo melhorador de adesividade a ser utilizado.
Figura 6: Faixa de trabalho
5.2.1 Densidade Máxima teórica Após a moldagem dos corpos de prova, determinaram-se densidade máxima teórica, massa específica aparente, volume de vazios, vazios com betume, vazios do agregado mineral, relação betume vazios, estabilidade e fluência. Resultando na Tabela1. De acordo com a Tabela 1 o teor de CAP 6% foi o único que apresentou volume de vazios entre 3% e 5% e relação betume vazios entre 75% e 82%, atendendo às exigências do DNIT. Quanto à estabilidade, todos os teores apresentaram valor superior a 500 kgf, sendo que a máxima ficou entre os teores de CAP 4,5% e 5%. A escolha do teor de ligante de projeto baseada em parâmetros volumétricos apontaria para o teor de CAP de 6%. Porém, é um teor muito alto, durante a moldagem dos corpos de prova foi possível perceber o excesso de ligante asfáltico, a mistura estava muito brilhosa e o corpo de prova muito pegajoso.
A Tabela 2 apresenta um resumo das características do teor de ligante de projeto escolhido. Tabela 2: Características do teor de projeto do traço por DMT Teor de projeto (%) 5,50 Tabela 1: Características dos corpos de prova por DMT Teor de CAP Gmb VV VCB DMT (%) (g/cm³) (%) (%) 4,00 2,66 2,39 10,07 9,42 4,50 2,63 2,41 8,80 10,65 5,00 2,61 2,42 7,40 11,92 5,50 2,59 2,44 5,96 13,20 6,00 2,57 2,45 4,81 14,46
5.2.2 Densidade Máxima Medida Definido o teor de projeto de ligante asfáltico pelo método teórico, determinou-se a densidade máxima medida pelo método Rice e calculou-se massa específica aparente, volume de vazios, vazios com betume, vazios do agregado mineral, relação betume vazios, e determinaram-se estabilidade e fluência. Resultando na Tabela 3. Segundo a Tabela 3, os teores de CAP 4% e 5% apresentaram volume de vazios em conformidade com o DNIT, mas apenas o teor de CAP de 5% apresentou-se relação betume vazios de acordo com as exigências do mesmo. Quanto à estabilidade, todos os teores apresentaram resultado superior a 500 kgf, atendendo ao DNIT. Os teores de CAP 5,5% e 6% apresentaram volume de vazios inferiores a 3% e relação betume vazios superior a 82%. Além disso, todos os teores apresentaram vazios do agregado mineral inferior a 16%, sendo este o limite mínimo exigido pelo DNIT. Esses resultados incoerentes podem ser explicados pelo não atendimento de algumas condições na execução do método Rice. A pressão não atingiu 30 mmHg conforme recomendado pela ASTM, a bomba de vácuo utilizada chegou a apenas 60 mmHg. Além disso, os corpos de prova possuíam uma camada de parafina que foi incorporada à mistura asfáltica e a água utilizada no ensaio não era destilada. Analisando-se o gráfico de estabilidade, o teor de CAP 4,7% apresentou maior valor com 750 kgf. Também respeitou a relação betume vazios com 75% e o volume de vazios com 4,10%. Atendendo aos parâmetros básicos para escolha do teor de ligante de projeto, este foi o escolhido. A Tabela 4 apresenta um resumo das características do teor de ligante de projeto escolhido.
DMT Gmb (g/cm³) VV (%) VAM (%) RBV (%) Estabilidade (kgf) Fluência (mm) VAM (%) 19,49 19,45 19,32 19,16 19,27
RBV (%) 48,31 54,78 61,71 68,91 75,06
2,59 2,44 5,96 19,16 68,91 620,08 3,46 Estabilidade (kgf) 518,95 730,60 721,49 620,08 570,90
Fluência (mm) 2,79 3,14 3,27 3,46 3,57
Tabela 4: Características do teor de projeto do traço por DMM Teor de projeto (%) 4,70 DMM 2,51 Gmb (g/cm³) 2,41 VV (%) 4,10 VAM (%) 15,24 RBV (%) 75,00 Estabilidade (kgf) 750,00 Fluência (mm) 3,20
5.3 Comparação dos métodos de determinação da densidade máxima A Tabela 5 compara a densidade máxima obtida pelo método teórico e pelo método Rice para cada teor de CAP. Como pode ser observado na Tabela 5, as densidades máximas obtidas pelo método Rice foram numericamente inferiores às obtidas pelo método teórico. Em média, a DMM foi 4,31% inferior a DMT. Resultados satisfatórios, já que era esperado que a consideração dos vazios não preenchidos com CAP levasse a menores valores de DMM. Com a redução dos valores de densidade máxima houve, consequentemente, a redução do volume de vazios. A Tabela 6 compara o volume de vazios obtido pelo método teórico e pelo método Rice para cada teor de CAP. Tabela 5: Comparação entre DMT e DMM Teor de CAP DMT DMM 4,0% 2,659 2,543 4,5% 2,637 2,522 5,0% 2,615 2,503 5,5% 2,594 2,486 6,0% 2,573 2,460
Tabela 6: Comparação entre VV DMT e VV DMM Teor de CAP VV DMT VV DMM 4,0% 10,07% 5,96% 4,5% 8,80% 4,63% 5,0% 7,40% 3,24% 5,5% 5,96% 1,88% 6,0% 4,81% 0,44%
DMT. Além disso, na dosagem em função da DMT apenas o teor de CAP 6% atendeu aos requisitos normalizados pelo DNIT. Enquanto que na dosagem em função da DMM, os teores de CAP 4,5% e 5% estão com os parâmetros volumétricos em conformidade.
Conforme a Tabela 6, a utilização da DMM reduziu em média 4,18% o volume de vazios da mistura asfáltica quando comparada à utilização da Tabela 3: Características dos corpos de prova por DMM Teor de CAP Gmb VV VCB DMM (%) (g/cm³) (%) (%) 4,00 2,54 2,39 5,96 9,42 4,50 2,52 2,41 4,63 10,65 5,00 2,50 2,42 3,24 11,92 5,50 2,49 2,44 1,88 13,20 6,00 2,46 2,45 0,44 14,46
VAM (%) 15,37 15,28 15,16 15,08 14,91
RBV (%) 61,25 69,71 78,63 87,56 97,02
Estabilidade (kgf) 518,95 730,60 721,49 620,08 570,90
Fluência (mm) 2,79 3,14 3,27 3,46 3,57
Sendo o volume de vazios o principal parâmetro para determinação do teor de projeto do ligante asfáltico, a variação entre os dois métodos de dosagem foi de 0,8% de CAP. Segundo o método teórico, o teor de projeto de ligante seria 5,5% e para o método Rice 4,7%. Os resultados obtidos através do método Rice relacionam de forma coerente os parâmetros de escolha do teor de ligante de projeto. Os teores que apresentaram melhores parâmetros volumétricos, também apresentaram estabilidades mais altas. Diferente, dos resultados obtidos pelo método teórico, onde não foi possível relacionar volume de vazios, relação betume vazios e estabilidade, encobrindo os resultados e dificultando a escolha do teor ideal.
afundamentos e escorregamentos, além da exsudação, comprometendo a segurança dos usuários da estrada. Sugere-se para futuros trabalhos: a) determinação da densidade máxima de uma mistura asfáltica a quente pelo método do querosene; b) comparação de diferentes métodos de determinação da densidade máxima com prémisturado usinado a quente; c) comparação de diferentes métodos de determinação da densidade máxima com areia asfalto usinado a quente.
6 CONCLUSÕES E PROPOSTAS
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D2041: Standard test method for theoretical maximum specific gravity and density of bituminous paving mixtures. 2000.
Conforme o esperado, as densidades máximas obtidas pelo método Rice foram numericamente inferiores às obtidas pelo método teórico, diminuindo em média 4,31%. Com a redução dos valores de densidade máxima houve a redução do volume de vazios e a dosagem da mistura asfáltica em função do método Rice levou a escolha de um teor de projeto de ligante 0,8% inferior à dosagem pelo método teórico. Acarretando numa redução de custo de 5,28% por tonelada de revestimento do tipo CBUQ. Além disso, mais teores de CAP atenderam aos parâmetros volumétricos exigidos pelas normas pertinentes na dosagem em função do método Rice. Os resultados questionam a eficácia do método adotado pelo DNIT, que além de levar a escolha de um teor de CAP mais elevado aumentando o custo da pavimentação, pode causar patologias devido ao excesso de ligante asfáltico, tais como corrugações,
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES. DNIT ES – 031: pavimentos flexíveis – concreto asfáltico – especificação de serviço. 2006. .DNER - ME 043: misturas betuminosas a quente – ensaio Marshall.1995. FREITAS, Hérika Braga. Misturas asfálticas de módulo elevado com uso de escória de aciaria como agregado. 2007. 199 f. Dissertação (Mestrado em Ciências em Engenharia Civil) – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2007. MARQUES, Geraldo Luciano de Oliveira. Utilização do módulo de resiliência como critério de dosagem de mistura asfáltica; efeito da compactação por impacto e giratória. 2004. 490 f. Tese (Doutorado em Ciências em Engenharia Civil) – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2004. VASCONCELOS, Kamilla Lima; SOARES, Jorge Barbosa. Influência da densidade máxima teórica na dosagem de misturas asfálticas. In: REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO, 36., 2005, Curitiba. Anais... Curitiba, 2005. Disponível em:
. Acesso em: 26 fev 2011.
