PAVIBAM
MISTURA BETUMINOSA DE ELEVADA RIGIDEZ PARA CAMADAS DE BASE DE PAVIMENTOS
CARACTERIZAÇAO DE MISTURAS BETUMINOSAS DO TIPO PAVIBAM Resumo A metodologia de estudo constou basicamente das seguintes fases: Ao nível laboratorial foi feita a selecção e caracterização do ligante betuminoso e dos agregados utilizados no estudo. É feita igualmente uma referência aos principais aspectos que caracterizam estas misturas betuminosas, bem como uma síntese da sua evolução. No campo da formulação laboratorial são descritos os critérios utilizados, bem como os métodos de caracterização e equipamento utilizado, nomeadamente a caracterização mecânica das misturas betuminosas ensaiadas. Em síntese, o propósito fundamental deste estudo, foi a caracterização deste tipo de misturas betuminosas, de forma a poder contribuir para a elaboração de soluções técnicas e económicas adequadas, alternativas às soluções correntes.
1. Introdução Poder-se-á definir genericamente uma mistura betuminosa de alto módulo para camadas de base, como sendo a que se caracteriza por apresentar normalmente uma rigidez consideravelmente superior às misturas betuminosas convencionais para o mesmo fim (NF P 98 -140, 1992). Estas misturas betuminosas especiais são normalmente dotadas de uma maior capacidade estrutural, comparativamente às misturas betuminosas tradicionais para pavimentação. Dada a natureza intrínseca deste material, as novas camadas formadas com estas misturas, não teriam associados os problemas de fissuração por retracção das bases de elevada rigidez habitualmente utilizadas, compostas por materiais tratados com ligantes hidráulicos, que para além desse facto, necessitam, dada a sua natureza, de ser colocadas sobre camadas de sub-bases também rígidas. 1.1 – Evolução da técnica No início da década de 80, surge em França (País onde se assistiu a uma maior evolução desta temática) um novo impulso no campo das misturas betuminosas de elevada rigidez, com o objectivo de utilização em camadas de base de pavimentos, e em que os ligantes betuminosos a utilizar, embora distintos dos convencionais, seriam à base de betumes puros, obtidos
directamente por destilação do petróleo bruto, e com penetrações nominais do tipo 10/20 a 25°C, cuja utilização na altura não tinha qualquer expressão. Os critérios de formulação então adoptados para as novas misturas betuminosas conduziram a misturas bastante compactas, em consequência por um lado dos fusos granulométricos adoptados, com elevadas percentagens de filer (≥ 8%), e por outro dos teores em betume serem mais elevados que os habituais, com valores inicialmente compreendidos entre 5,6 e 6,6 % e módulos de riqueza entre 3,4 e 4,5. 1.1.1 - Normalização Após esta fase inicial, e em consequência do crescimento do mercado, surgiu naturalmente a necessidade da normalização destes materiais, pelo que a sua utilização foi normalizada através da norma Francesa NF P 98 – 140 de Outubro de 1992 sob a designação de “Enrobés à Module Élevé” (EME), destinados a camadas de base de pavimentos. No âmbito da norma NF P 98 – 140 de Outubro de 1992, são contemplados dois tipos de misturas. As do tipo EME classe 2, desenvolvidas em primeiro lugar e que se caracterizam por possuir um conteúdo de ligante geralmente compreendido entre 5,5 e 6,0% (em teor), e as do tipo EME classe 1, cujos conteúdos de ligante são normalmente inferiores a 5% (4,2 a 4,8%). 1.2 – Principais características Os betumes de elevada consistência (penetrações a 25 °C inferiores a 30 x 0,1mm), em conjunto com o forte esqueleto mineral do agregado e uma alta percentagem de material passado no peneiro n.º 200, cerca de 8%, confere à mistura uma elevada capacidade de absorção de cargas (tensões). O seu comportamento às deformações permanentes é consideravelmente melhorado comparativamente a uma mistura convencional (R.G.R.A n.º 711; Duval, J.-Eurobitume 1989), pese embora o seu elevado conteúdo de ligante. Em síntese, os fundamentos práticos desta solução traduzem-se no objectivo de poder colocar em obra estruturas tipo de pavimentos com menor espessura total de camadas betuminosas, com idêntica capacidade estrutural às soluções tradicionais, e em consequência de possibilitar a execução de obras de pavimentação com menores custos globais.
2. Caracterização dos materiais 2.1 – Ligante betuminoso Na maior parte dos países, mesmo evoluídos tecnicamente, ainda é escassa a oferta de betumes de baixa penetração, podendo dessa forma o seu preço
condicionar nalguns casos a viabilidade económica da técnica aqui descrita. No âmbito deste estudo apenas se abordará a utilização de betumes cuja proveniência seja a destilação directa do petróleo bruto.
2.1.1 - Características do ligante betuminoso
O ligante betuminoso seleccionado para a execução do presente trabalho, foi um betume de destilação directa referenciado como tendo os limites de penetração em 10/20, e com proveniência das instalações da Repsol S.A. em Puertollano (Espanha).
A título meramente comparativo, são igualmente apresentadas as características de um betume de destilação directa com a mesma procedência, referenciado como tendo os limites de penetração em 60/70 e habitualmente utilizado em misturas betuminosas convencionais, para camadas de base de pavimentos rodoviários. Os ensaios laboratoriais de caracterização foram executados no Centro de Investigação Elpídio Sanchez Marcos em Madrid, sendo os resultados indicados no quadro abaixo:
CARACTERÍSTICAS
RESULTADOS 10/20
60/70
ESPECIFICAÇÕES E NP’s
NLT
17
60
NP 82/64
NLT 124
68,4
50,9
E 34/57
NLT 125
Penetração a 25°C, 100g, 5s (x0,1mm) Temperatura de amolecimento pelo método do anel e bola, (°C) Índice de penetração
NORMAS
+ 0,27 - 0,52
Ponto de fragilidade Fraass, (°C)
-2
Temperatura de inflamação em vaso aberto, (°C)
-9
> 300 > 300
Ductilidade a 25°C, 5 cm/min, (cm)
NLT 181 NLT 182 E 36/57
NLT 127
12
> 100
NP 148/67
NLT 126
99,8
99,8
E 37/57
NLT 130
0
0
1,04
1,02
E 35/57
NLT 122
0,05
0,04
E 67/60
NLT 185
82
72
NP 82/64
NLT 124
Aumento da temp. de amolecimento, (°C) 5,9
3,0
E 34/57
NLT 125
Ductilidade a 25°C, 5 cm/min, (cm)
86
NP 148/67
NLT 126
Solubilidade no tricloroetileno, (%) Conteúdo em água, (%) Densidade relativa d25/25, (gr/cm ) 3
NLT 123
Ensaios sobre o resíduo em película fina Perda de massa por aquecimento a 163°C, (%) Penetração a 25°C, 100g, 5s, (0,1 mm) (% da penetração do betume original)
6,5
Quadro 2.1 – Características dos ligantes betuminosos
2.2 - Agregados 2.2.1 – Caracterização dos agregados Os agregados seleccionados para o presente trabalho, são de origem granítica, e provenientes da pedreira situada na localidade de Soutelo – Lamoso (propriedade à data da recolha de Terrazul Agregados S.A). Foram realizados um conjunto de ensaios laboratoriais, cujos resultados se apresentam abaixo: CARACTERÍSTICAS
PÓ 0/5
BRITA 5/15 BRITA 15/25
NORMAS
Equivalente de areia (%)
64
--
--
E ** 199
Azul de metileno
0,6
--
--
NLT****171
--
25
--
E 237
Massa volúmica (g/cm3)
2,58
2,67
2,68
NP*** 954
Absorção de água (%)
1,67
0,63
0,55
NP 581
Índice de lamelação (%)
--
30
27
BS 812
Índice de alongamento (%)
--
23
23
BS 812
Desgaste de Los Angeles (%) (granulometria B)
Quadro 2.2 – Características físicas dos agregados E ** – Especificação NP *** – Norma Portuguesa NLT **** – “Normas del Laboratorio del Transporte”
3. Misturas betuminosas ensaiadas 3.1. Introdução Nesta fase do trabalho, procedeu-se à formulação das misturas betuminosas em estudo, tendo-se efectuado a moldagem de provetes pelo método de compactação Marshall. Os critérios de representatividade que estiveram presentes na selecção dos fusos granulométricos que fizeram parte do presente estudo, foram essencialmente os seguintes: • Situação de referência que tivesse a ver com experiência já anteriormente adquirida no meio técnico nacional, ao nível das misturas betuminosas tradicionais. • Tendência internacional que ao nível das misturas betuminosas de elevada rigidez se observa com maior frequência. 3.2. Fusos Granulométricos Face ao anteriormente exposto, foram definidos os seguintes fusos granulométricos: Fuso Granulométrico "A" – Macadame Betuminoso (Norma ex-JAE). Fuso Granulométrico "B" – Representativo da Bibliografia Internacional.
SÉRIE DE PENEIROS
COMPOSIÇÃO "A"
A.S.T.M.
Abertura de malhas (em mm)
FUSO
1 1/2"
37,5
100
COMPOSIÇÃO "B"
CURVA MÉDIA
FUSO
CURVA MÉDIA
100
\
\
1"
25,0
80-100
90
100
100
3/4"
19,0
70-90
80
90-100
95
1/2"
12,5
\
\
70-90
80
3/8"
9,5
55-75
65
60-80
70
Nº4
4,75
45-62
53,5
44-62
53
Nº8
2,36
\
\
30-44
37
Nº10
2,00
34-48
41
\
\
Nº30
0,600
\
\
12-24
18
Nº40
0,425
18-26
22
\
\
Nº50
0,300
\
\
8-18
13
Nº80
0,180
9-17
13
7-14
10,5
0,075
3-8
5,5
6-10
8
Nº200
Quadro 3.1 – Granulométrias de estudo
3.3. Formulação laboratorial das misturas betuminosas As amassaduras de qualquer dos provetes moldados foram todas individuais. Para cada uma das composições, foram determinadas as respectivas massas volúmicas, tendo-se obtido os valores constantes do quadro 3.2. CURVAS GRANULOMÉTRICAS
MASSA VOLÚMICA (g/cm3)
TEOR EM LIGANTE (%)
Composição "A"
2,62
5,4
Composição "B”
2,63
5,7
Quadro 3.2 – Massas volúmicas e teores* em ligante (critério NF P 98-140)
Os teores em betume seleccionados para cada composição visaram abranger a gama de hipóteses mais prováveis, no domínio das misturas betuminosas de elevado módulo de rigidez. Na prática foram adoptados os seguintes teores em betume ⇒ 5; 5,5 e 6%. De acordo com os critérios definidos na NF P 98-140, o teor em ligante é calculado a partir dum módulo de riqueza** k, de superfície específica convencional Σ e dum coeficiente α corrector da massa volúmica dos agregados Pr, de acordo com a seguinte relação: Teor em ligante = k.α.
5
Σ
em que:
α = 2,65 Pr
* Peso do betume contido na mistura betuminosa expresso em % do peso do agregado (NF P 98-140). ** Módulo de riqueza é um coeficiente proporcional à espessura convencional da película de ligante, de massa volúmica igual a 1 g/cm3 envolvendo o agregado ( NF P 98 - 140 OUT. /92).
De acordo com estes critérios, os resultados obtidos para cada composição utilizando um módulo de riqueza k igual a 3,4 (mínimo especificado) são os constantes do quadro 3.2. Face aos resultados obtidos, podemos concluir que o intervalo adoptado para o estudo abrange a totalidade dos teores obtidos para cada composição.
3.4. Preparação dos provetes em laboratório Na composição "A" foi utilizado o método proposto pela ex-JAE (em alteração ao do “Department of Defense” dos E.U.A), que consiste no seguinte: Truncagem dos agregados no peneiro ASTM de 1" (25,4mm) e substituição do material de dimensão superior a 1" (25,4mm) por igual quantidade de material entre 1" (25,4mm) e 3/4" (19,1mm). Desta forma validou-se a moldagem de provetes utilizando o método Marshall, mantendo o D máx = 25 mm. As características obtidas nos provetes, são as referidas no quadro 3.3, sendo cada um dos valores resultado da média aritmética obtida dum conjunto de 3 provetes ensaiados. FUSOS
TEOR EM
BARIDADE
GRANULOMÉTRICOS
BETUME
(g/cm )
%
5
2,292
6,2
Composição "A"
Composição "B"
3
POROSIDADE
5,5
2,332
4,0
6
2,344
2,9
5
2,321
5,1
5,5
2,343
3,5
6
2,364
2,2
Quadro 3.3 – Características dos provetes Marshall
4. Ensaios de caracterização mecânica Os ensaios de caracterização mecânica, foram efectuados no Laboratório de Geotecnia do Instituto Superior Técnico, com o objectivo de determinar os diferentes módulos de rigidez*, para dessa forma poder dispor de dados que permitissem efectuar a análise estrutural de diferentes hipóteses, em que estejam incorporadas misturas betuminosas de elevado módulo de rigidez ao nível das camadas de base. Para tal foi utilizado o equipamento do NOTTINGHAM ASPHALT MIX TESTER (NAT), com recurso ao ensaio de compressão diametral sob carregamentos cíclicos**
* Relação entre a tensão aplicada e a extensão verificada na direcção de aplicação das cargas. ** O provete cilíndrico é comprimido segundo um plano vertical ao longo do qual se desenvolvem tensões de tracção na direcção horizontal.
4.1. Procedimentos do NAT 4.1.1. Montagem dos provetes O provete deverá ser cuidadosamente montado, de forma que fique colocado no centro das barras de aplicação da carga. Para um perfeito ajustamento e contacto destas barras com o provete, essa zona é previamente coberta com uma película delgada de gesso, o qual deverá rigidificar antes de se proceder à aplicação das cargas. Antes da introdução do conjunto na câmara do NAT, deverá ser fixado (montado) ao provete o sistema de medição das deformações horizontais como o ilustrado na figura 4.2 de tal forma que os transdutores sejam montados fazendo um ângulo de 90 °Com o eixo de aplicação de carga. 4.1.2. Parâmetros do ensaio Os parâmetros solicitados pelo software do NAT e preliminares à execução do ensaio são os seguintes:
COEFICIENTE DE POISSON
• Temperatura do ensaio: As gamas de temperaturas seleccionadas foram as de 15 °C; 20 °C e 25 °C. • Diâmetro do provete: Introdução do valor médio (em mm), previamente determinado. • Coeficiente de Poisson: Este valor foi escolhido de acordo com a temperatura a que se executou o ensaio (Manual do NAT), tal como refere a figura 4.1.
TEMPERATURA (°C) Figura 4.1 – Recomendações do TRL para o coeficiente de Poisson (Manual NAT)
• Número de aplicações de carga: Foi adoptado o valor constante de cinco aplicações de carga por ensaio. Antes do ensaio propriamente dito, foi aplicado um pré-carregamento de cinco ciclos de carga, a cada provete para ajuste do sistema de ensaio. A carga deve ser aplicada verticalmente, sendo transmitida ao provete através das barras de aço tal como mostra a figura 4.2. • Pressure scale: O software do NAT, permite a opção do valor do pressure scale numa escala de 1 a 10. Foram preliminarmente executados vários ensaios fazendo variar
este valor, para que a resposta do sinal obtido graficamente e resultante da aplicação da carga, fosse considerado satisfatório, e não ultrapassando 30 % da carga de rotura do material. Como tal, foi previamente determinada a resistência à tracção do material, através do ensaio de compressão diametral, de forma a obter o valor da carga de rotura do material. Para esse efeito, foram seleccionados 3 provetes da composição “B”, para um teor em betume de 5,5 %, tendo o ensaio sido efectuado à temperatura ambiente (aproximadamente 20° C). O valor obtido para a média dos 3 provetes foi de 23,2 KN. De acordo com o critério anteriormente referido, o valor seleccionado no intervalo possível, foi o 7 (sete). Para este valor, a força vertical aplicada aos provetes, situou-se habitualmente no intervalo de 2,37 a 2,41 KN, ou seja um valor de cerca de 10 % da carga de rotura determinada. Foram efectuados alguns ensaios com valores do pressure scale inferiores a 7, e embora a força vertical aplicada aos provetes estivessem sempre abaixo dos 30% da carga de rotura, a resposta obtida graficamente era francamente má. Não se tendo verificado alterações significativas na resposta gráfica, para pressure scale superiores a 7, optou-se em manter este valor por uma questão de não colocar o equipamento a trabalhar nos limites das cargas a aplicar, uma vez que se tratava da execução de algumas centenas de ensaios. • Rise time scale: O valor adoptado para o rise time scale (entre 30 e 31) foi o que após vários ensaios, conduziu a valores do rise time* compreendidos entre 120 e 125 milisegundos, de acordo com critérios do TRRL e da Nottingham University, referidos como recomendação no Manual do NAT. De acordo com estudo efectuado por Nunn, M.E. Bowskill, G, no ensaio de compressão diametral sob carregamentos cíclicos o rise time de valor igual a 125 milisegundos é equivalente a um carregamento sinusoidal com uma frequência de 2,5 Hz. Em consequência, todos os valores dos módulos de rigidez apresentados neste trabalho e obtidos a partir de ensaios efectuados no NAT serão referentes à temperatura do ensaio (a indicar em cada caso), e a uma frequência de 2,5 Hz. • Identificação do provete: Identificação do provete em estudo, de acordo com terminologia previamente definida e referindo o plano segundo o qual o ensaio foi executado. • Altura do provete: Introdução do valor médio (em mm). A determinação da altura média do provete, bem como o seu diâmetro, devem ser rigorosos, com uma precisão de ± 1 mm, em três pontos diferentes, que façam aproximadamente um ângulo de leitura entre eles de 60º. * Tempo que decorre desde o instante zero, em que se começa a aplicar a carga, até ao valor do pico. O valor de pico da carga deverá ser ajustado de modo a ter uma deformação horizontal de pelo menos 5 mm (Manual NAT).
Sistema pneumático de actuação de carga
Barras de fixação da carga
Célula de carga
Barras de aço para transmissão da carga à amostra Amostra
Defléctometros (LVDT) Sistema de fixação dos (LVDT)
Barras de aço para transmissão da carga à amostra
Figura 4.2 – Equipamento para determinação do módulo de rigidez
4.1.3. Execução do ensaio Após as cinco aplicações de carga, o software próprio do equipamento fornece os valores estatísticos associados ao cálculo do módulo de rigidez da amostra em estudo, em saída de impressora. Em seguida, o provete deve ser rodado 90º de forma a poder ser efectuado um segundo teste, ficando o eixo anteriormente ensaiado na horizontal. Os procedimentos são então todos os já anteriormente referidos. É recomendável que o valor médio do módulo de rigidez numa direcção não difira ±10% do valor do módulo na outra direcção, sob pena de indiciar a existência de problemas com anisotropia do provete. O valor do módulo de rigidez (Sm) da mistura betuminosa em MPa será determinado pela seguinte equação: Sm =
Fa x (ν + 0,27) em que: (D x t)
F - é o valor de pico da força aplicada verticalmente (em Newton); D - é o valor de pico de deformação diametral que resulta da força F aplicada (em mm); t - é o valor da espessura do provete (em mm); ν - é o valor do coeficiente de Poisson da mistura betuminosa à temperatura do ensaio.
4.2. Resultados dos ensaios Os resultados dos módulos de rigidez obtidos, são os constantes do quadro 4.1. Cada um dos valores, são o resultado da média do conjunto de 3 provetes ensaiados, sendo por sua vez a média de cada provete o resultado dos valores obtidos em cada uma das duas direcções ensaiadas. MÓDULOS DE RIGIDEZ (MPa) TEORES EM BETUME
TEMPERATURAS
COMPOSIÇÔES
(%)
15 °C
20 °C
5
12298
10431
8789
Composição “A”
5,5
13685
12279
10292
6
11891
10413
8467
5
14416
12204
10505
Composição “B”
25 °C
5,5
14453
12787
10675
6
12785
10936
9348
Quadro 4.1 – Resultados dos módulos de rigidez
As sensibilidades registadas para cada uma das composições à evolução dos módulos de rigidez, em função da temperatura de ensaio e do teor em betume da mistura, indiciam o seguinte comportamento:
• Em qualquer das composições estudadas, e para qualquer teor em betume (5; 5,5 ou 6%), o módulo de rigidez da mistura regista uma descida no seu valor, sempre que se verifica um aumento da temperatura de ensaio, facto que seria aliás de prever. • Existe uma tendência generalizada em qualquer das composições e temperaturas de ensaio, para que o módulo de rigidez aumente o seu valor quando o teor em betume sobe de 5 para 5,5% e diminui quando o teor em betume passa de 5,5 para 6%. Igualmente para qualquer das composições e qualquer das temperaturas de ensaio, o módulo de rigidez obtido para 5% de teor em betume, é sempre superior ao obtido para 6%, ou seja esquematizando as tendências: 5 ⇒ 5,5 E
5,5 ⇒ 6% E
5 ⇒ 6% E
ALGUMAS OBRAS COM
PAVIBAM CM Lisboa – Av. Columbano Bordalo Pinheiro; Gestiponte – Acessos à Ponte
• A tendência observada face aos resultados obtidos é a de que os maiores valores do módulo de rigidez para qualquer das misturas ensaiadas e temperatura de ensaio se obtém sempre para um teor em betume de 5,5%. Uma análise global das tendências obtidas indica-nos que a composição “B” é a que regista maiores valores dos módulos de rigidez. A composição “A” (recorda-se), de acordo com os resultados indicados no quadro 3.3, é a que tem as baridades mais baixas e as porosidades mais elevadas para qualquer dos teores em betume. Das duas composições, para cada uma das temperaturas de ensaio, é possível definir com algum rigor os intervalos de variação para os módulos de rigidez apresentados no quadro 4.2. TEMPERATURA (°C)
MÓDULO DE RIGIDEZ (MPa) (intervalo total)
MÓDULO DE RIGIDEZ (MPa) (para 5,5 % betume)
15
≈ 12000 a 14500 ≈ 10500 a 13000 ≈ 8500 a 11000
≈ 13500 a 14500 ≈ 12000 a 13000 ≈ 10000 a 11000
20 25
Quadro 4.2 – Variação dos módulos de rigidez
A análise do intervalo correspondente ao teor em betume de 5,5% foi incluída, uma vez que é a que conduz a maiores valores do módulo de rigidez. De acordo com os valores que se obtiveram para as duas composições em estudo, comparativamente a uma mistura betuminosa tradicional para camadas de base, com betume do tipo 60/70, poderemos considerar uma relação do tipo: E (25 °C; 5,5% teor) base de alto módulo ≈ 2,6 x E mistura betuminosa tradicional Esta relação foi estimada, tendo como referência o módulo de rigidez de 4000 MPa para o macadame betuminoso tradicional, e o valor médio obtido no intervalo de 5,5 % de teor em betume dos módulos de rigidez a 25 °C.
25 de Abril; Brisa – Palmela na A2, Sul A12 - A2 Setúbal e A12 Montijo; Brisa – Beneficiação do Sublanço Alverca/Vila F.Xira na A1 e A9
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