UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA DE LABORATÓRIO DE PAVIMENTAÇÃO - 2596 PROFESSOR: DR. JESNER SERENI ILDEFONSO ACADÊMICOS: GUILHERME V. MAROTTI CECILIANO BRENO A. DE OLIVEIRA BERTAPELE
R.A.: 85022 TURMA: 03 R.A.: 81840 TURMA: 03
RELATÓRIO DE ENSAIO: DOSAGEM MARSHALL PARA MISTURA ASFÁLTICA
MARINGÁ 2016
SUMÁRIO 1.
INTRODUÇÃO .......................................... ................................................................. ............................................. ........................................... .....................2
2.
REVISÃO TEÓRICA ........................................... .................................................................. ............................................. ................................ ..........3 2.1 Granulometria.............................................................. ..................................................................................... ............................................. ............................ ......3 2.2 Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP) ............................................ ................................................................... ................................ .........3 2.3. Compactação Compactação e Ruptura ....................... .............................................. .............................................. ............................................. ............................ ......4
3.
MATERIAIS E MÉTODOS .......................... ................................................ ............................................. ........................................ .................5 3.1 Separação dos agregados .............................. .................................................... ............................................. ............................................ .....................5 3.2 Moldagem e compactação compactação do corpo de prova ....................................... ............................................................. ......................... ...5 3.3 Rompimento do corpo de prova .............................................. .................................................................... ....................................... .................7
4.
RESULTADOS E ANÁLISES .................................................... .......................................................................... ................................ ..........8
5.
CONCLUSÕES E DISCUSSÕES ........................ ............................................... .............................................. .............................. .......15
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................. .................................................................... .................................. ...........16 ANEXOS ............................................ ................................................................... ............................................. ............................................. ...................................... ...............17 ANEXO 1 – ME 043/1995 ............................................ ................................................................... ............................................. .............................. ........18
2
1.
INTRODUÇÃO O ensaio que relatado trata da preparação de corpos de prova (CP) de pavimento asfáltico
seguindo o método Marshall. Para isso, foram determinadas as porcentagens de cimento asfáltico de petróleo (CAP) com as quais se preparariam os CP, e, com base base na massa total do CP, determinadas determinadas as massas de cada fração de agregado que deveriam estar presentes na mistura. Assim, foram adicionadas diferentes quantidades quantidades de ligante asfáltico, as quais variaram de 5% a 6% em intervalos de 0,2%. Todos os corpos de prova foram moldados seguindo o DNER – ME ME 043/1995 - Misturas betuminosas a quente – ensaio ensaio Marshall. A partir da ruptura dos corpos de prova foi possível determinar a estabilidade e fluência de cada um, além de verificar como a estabilidade do pavimento se comporta para diferentes concentrações concentrações de ligante l igante asfáltico. O objetivo final deste ensaio visa a obter um teor de cimento asfáltico de petróleo ideal, que tenha a capacidade de resistir às cargas e que se deforme dentro dos limites previstos.
3
2.
REVISÃO TEÓRICA O método de dosagem Marshall foi elaborado no final da década de 1930, com o propósito de
determinar o teor de CAP de projeto a partir dos equipamentos disponíveis naquela época. (ANTT, 2014). Desde a sua criação até os dias de hoje o método é caracterizado pela seleção do ligante asfáltico e do agregado de modo a atender especificações de projeto pré-estabelecidas, que dependerão onde o pavimento será confeccionado e quais e que tipos de carga que estará sujeito. A dosagem Marshall é baseada na carga máxima suportada pela mistura asfáltica. A medida de deformação foi incorporada para permitir melhor estimativa da quantidade de asfalto usado na mistura. Segundo Melo, o objetivo do método é o de dosar misturas econômicas entre agregados e ligante asfáltico, com estabilidade para resistir cargas e pressões de pneus dos veículos. Dentre os fatores que influenciam o desempenho de uma camada asfáltica pode-se citar as características dos materiais, dosagem, condições de compactação, processo construtivo e plano de manutenção e restauração. Além disso, o método de dosagem Marshall auxiliará na determinação do teor mais adequada dos materiais constituintes da mistura asfáltica para um determinado projeto (pavimento flexível, semirrígido ou rígido). (HIRSCH,2005) 2.1 GRANULOMETRIA Como colocado em relatório prévio, os agregados minerais utilizados nas misturas asfálticas empregadas nas camadas de revestimento dos pavimentos flexíveis têm grande influência no comportamento mecânico das mesmas. Estes materiais constituem cerca de 95% em peso da mistura e são responsáveis pela formação de uma estrutura sólida necessária para resistir às solicitações impostas pelas cargas de tráfico. (ARAÚJO, 2009) Assim, antes de proceder à escolha das frações de agregados que irão compor a mistura asfáltica, deverá ser realizado testes de caracterização dos materiais granulares, entre eles: Densidade de absorção dos agregados, granulometria, ensaio de abrasão Los Angeles, índice de forma, adesividade ao material betuminoso e se em regiões de clima frio, quanto à durabilidade a sulfatos. (ARAÚJO, 2009) 2.2 CIMENTO ASFÁLTICO DE PETRÓLEO (CAP) Na maioria dos países do mundo a pavimentação asfáltica é a principal forma de revestimento tanto da rede rodoviária como na rede aeroportuária. O uso intensivo do CAP rem pavimentação se deve ao fato da forte união com os agregados, agindo como um ligante que permite flexibilidade controlável, grande poder impermeabilizante, além de ser um material durável e resistente à maioria
4 dos ácidos, dos álcalis e dos sais, podendo ser utilizado aquecido ou emulsionado, em amplas combinações de esqueleto mineral, com ou sem aditivos. (ARAÚJO, 2009) Segundo Napa (1982, apud Bernucci, 2004, p. 224) a escolha do teor de asfalto primordialmente para camadas de rolamento em concreto asfáltico é baseada somente no volume de vazios (Vv), correspondente a 4%. É comum também a escolha se dar a partir da estabilidade Marshall, da massa específica aparente e do Vv. Nesse caso o teor de projeto é uma média desses três valores, respectivamente aos teores associados à máxima estabilidade, à massa específica aparente máxima da amostra compactada e a um volume de vazios (Vv) de 4%. (BERNUCCI, 2004). Para se especificar determinado asfalto como adequado para a pavimentação, é necessária a realização de alguns ensaios, como: ensaio de ponto de amolecimento, ensaio de penetração, ensaio de ponto de fulgor, ensaio de ductilidade, ensaio de viscosidade (Saybolt-Furol) e ensaio de susceptibilidade térmica, que foram detalhadamente descriminados em outros relatórios. (BERNUCCI, 2004). 2.3. COMPACTAÇÃO E RUPTURA Entre os métodos de compactação manual e automático, verifica-se que o primeira apresenta geralmente densidade superior. O método da AASHTO requer que quando do uso de compactação automática, que esta seja calibrada para que os resultados sejam comparáveis aos da compactação manual. (BERNUCCI, 2004) O fator de maior influência na diferença entre os dois tipos de compactação foi a frequência. Corpos-de-prova compactados na mesma frequência (1Hz), tanto no procedimento manual como no automático, apresentam densidades aparentes semelhantes. (BERNUCCI, 2004) A estabilidade Marshall fornece uma indicação da capacidade da mistura de resistir à deformação sob o efeito da aplicação de carga. A resistência oferecida pelo corpo de prova à ruptura representa a resistência ao cisalhamento da mistura, onde o atrito se desenvolve no arcabouço sólido formado pelos agregados e a coesão é fornecida pelo ligante asfáltico. Já a fluência é definida como sendo o deslocamento diametral total sofrido por um CP cilíndrico da mistura asfáltica. (ARAÚJO, 2009)
5
3.
MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 SEPARAÇÃO DOS AGREGADOS De acordo com a ME 043/1995, para esta parte do ensaio usa-se principalmente: - Repartidores de 1,3 cm e 2,5 cm de abertura; - Peneiras de 25 mm, 19 mm, 9,5 mm, 4,8 mm e 2 mm; - Balança para até 5 kg; - Bandejas metálicas, com dimensões de 50 x 30 x 5 (cm). Considerando a amostra já caracterizada anteriormente em outros ensaios, procedeu-se com a
peneiração desta nas peneiras supracitadas, até se obter quantidade suficiente em massa para cada fração estipulada. Assim, o material retido na primeira peneira era transferido para uma bandeja, para posterior aferição da massa na balança, enquanto que o passante era encaminhado para a peneira subsequente, obedecendo a mesma metodologia. Depois que já se tinha a massa necessária para todas as frações, guardou-se os agregados em um saco para uso posterior. 3.2 MOLDAGEM E COMPACTAÇÃO DO CORPO DE PROVA O método de ensaio estipulado pelo DNER (ME 043/1995), prescreve que se faz necessário: - Molde de compactação, feito de aço, composto por dois anéis, um na parte superior e outra na parte inferior, e com uma placa de base; - Estufa para temperatura de 200º C; - Extrator de corpo de prova (CP); - Colher de metal estilo a de jardim; - Recipiente de aço em forma de calota esférica, fundo chato e com alças laterais, tendo volume de 5 l; - Recipiente em aço, cilíndrico, com alça lateral e bico vertedor, tendo 0,5 l; - Termômetro; - Base para compactação; - Soquete de compactação; - Paquímetro; - Banho d’água para 9 CPs; - Molde de aço para compressão; - Luvas com proteção térmica;
6 - Papel filtro; - Pinça de aço inoxidável; - Espátula com ponta arredondada. Na realização, ainda se usou um funil para despejo de agregados e uma chama para manter a temperatura de mistura. Para a confecção do CP, é importante que todos materiais estejam na temperatura adequada do ensaio. Portanto, os agregados devem ser secos em estufa a 105º C ~ 110 ºC até constância de massa e o ligante aquecido até a temperatura de mistura, determinada em ensaios passados, na faixa de 153º C a 160º C. Também deve-se aquecer os utensílios de trabalho, como espátulas, pinças, dentre outros. Tendo os ligantes separados nas frações necessárias em massa e secos, estes são colocados na estufa até ficarem com temperatura 15º C acima da temperatura de mistura do asfalto. Então, eles são depositados no recipiente com forma de calota esférica, e são organizados de forma que se tenha um espaço no centro, onde o ligante deve ser colocado. O ligante é, então, acrescido ao recipiente, e este deve ficar no fogo para se garantir a manutenção da temperatura de mistura. Procede-se com a homogeneização dos agregados e ligante, de forma parecida com o ensaio de adesividade. O controle de adição de ligante pode ser feito com adição em uma balança, até a massa final para a porcentagem de ligante especificada. É importante que a mistura ocorre de forma rápida (de 2 min a 3 min) e que o ligante cubra a superfície de todos os agregados. Ressalta-se que a massa final da mistura deve ser 1200 g. Para a compactação, os utensílios e partes de compactação usados nessa parte também devem ser aquecidos entre 90º C e 150º C. Procede-se com a montagem do sistema de compactação, posicionando-se o molde no suporte de compactação, e põe-se um papel filtro no fundo, a fim de facilitar a posterior desforma. Colocar no molde a mistura aquecida, podendo usar um funil para a transferência. Fazer a escarificação do CP nas paredes do molde usando a espátula, colocar mais um papel de filtro, agora na parte superficial, encaixar o anel superior no molde e liberar o equipamento para compactação. A compactação deve ocorrer com uma altura de queda do soquete de 45,72 cm e com a aplicação de 75 golpes. Terminada a compactação de um lado, executa-se o mesmo na outra face do CP. Depois disso, o CP deve ser retirado do molde, colocado sobre superfície lisa e plana e ficar em repouso por 12 h, pelo menos. Então, toma-se as dimensões deles (diâmetro e altura) com um paquímetro, de forma que estas serão as médias de 4 medidas tomadas diametralmente opostas. Ressaltando que a altura do CP deve ser de (63,5 ± 1,3) mm.
7 3.3 ROMPIMENTO DO CORPO DE PROVA Com o rompimento do corpo de prova, obtêm-se a estabilidade e a fluência da mistura. Para tanto, usa-se: - Banho maria a 60ºC; - Molde de compressão; - Estufa; - Prensa que meça deslocamento e carga aplicada. No ensaio realizado, foi necessário também papéis finos, a fim de evitar aderência da mistura às paredes do molde. Inicialmente, o CP deve ser colocado imerso em banho maria a 60º C de 30 min a 40 min. Ou em estufa por 2 h. Após isso, ele é encaixado no molde de compressão, sendo que as laterais são envoltas pelos papéis finos, ajudando na desforma. Depois o molde com o CP é levado à prensa e devidamente posicionado nesta. A prensa utilizada continha o ensaio Marshall em sua programação, já indicando a fluência e a estabilidade do CP, dispensando os métodos mais rudimentares, como apresentados na norma, os quais utilizam anel dinamométrico. Então, bastou a colocação do molde corretamente e o acionamento da prensa, a qual aplicou carga até o rompimento do CP. Ressaltando que a estabilidade indicada pela prensa deve ser corrigida pelo fator apresentado na norma. Além disso, não se pode decorrer mais do que 30 min da retirada do CP até o seu rompimento.
8
4.
RESULTADOS E ANÁLISES O DNER-ME 117/94 fixa o modo pelo qual se determina a massa específica aparente de
mistura asfáltica em corpos-de-prova moldados em laboratório ou obtidos em pista. Segundo esse método, a massa específica aparente é definida como a relação: =
Ms −
(çã 1)
Sendo: = massa específica aparente da mistura asfáltica. = massa seca do corpo de prova compactado; = massa do corpo de prova imerso em água a 25ºC.
Ainda, a densidade máxima teórica (DMT) pode ser dada por: =
100 % % % + +
(çã 2)
Tendo: %, %, % = porcentagens de asfalto, agregado graúdo, agregado miúdo em relação à
massa total da mistura asfáltica. , , = massas específicas reais do asfalto, do agregado graúdo, agregado miúdo e
do fíller, respectivamente. Assim, é possível obter o volume de vazios (%) =
DMT − Dap
. 100
(çã 3)
O volume de betume asfáltico (Va) se dá pela equação: (%) =
Dap %a
. 100
(çã 4)
O volume de vazios do agregado mineral (Vam) é dado por: (%) = Vv + Va
(çã 5)
Assim, a relação betume-vazios é dado por: (%) =
Va VAM
. 100
(çã 6)
Os valores de referência são exibidos na tabela 3, a seguir.
9 Tabela 1 - Valores de referência. Valores de Referência Dap Máx. possível Vv De 3% ~ 5% DMN (mm) Vam (%) ≥ 18 Vam 9,5 ≥ 16 12,7 ≥ 15 19,1 RBV (%) 75% a 82% ≥ 750 Kgf Estabilidade Fluência 2 a 4 mm Após a confecção de todos os 8 corpos de prova com diferentes teores de CAP e a realização de suas medidas, bem como coleta de dados pós ruptura, tem-se a tabela 4, na sequência. Tabela 4 – Dados aferidos e calculados para cada CP.
Teor Turma CAP
Massa Diâmetro Altura Massa Massa Estabilidade Fluência CAP Médio Média ao Ar Imerso Daparente Lida (Kg) (mm) (g) (mm) (mm) (g) (g)
1 4,30% 51,6 101,81 62,44 1621 6,51 3 4,60% 55,2 101,53 61,59 2048 6,94 5 4,90% 58,8 101,69 61,21 2041 5,56 7 5,20% 62,4 102,13 59,18 2179 7,52 2 5,50% 66,0 101,55 60,20 1943 6,65 4 5,80% 69,6 101,69 60,58 1720 5,98 6 6,10% 73,2 101,79 59,14 1770 6,92 8 6,40% 76,8 101,66 59,66 1511 6,66 OBS.: Para o valor de Densidade Aparente, multiplicou-se por um fator
1169,2 681,0 2,388 1165,7 684,9 2,417 1165,0 683,7 2,414 1160,6 684,4 2,430 1161,4 685,9 2,435 1167,4 691,4 2,445 1163,9 690,5 2,451 1168,0 692,8 2,451 de 0,9971, que corresponde
ao γ da água a 25ºC.
Também é necessário corrigir a estabilidade lida na prensa pelo fator de correção da estabilidade, que é função da altura do CP. O fator foi obtido com base na equação do normativo da ME 043/1995: f = 927,23 × altura-1,64 A tabela 5, na sequência, apresenta os valores corrigidos.
10 Tabela 5 – Correção da estabilidade lida.
Fator de Teor Estabilidade Estabilidade Turma Correção CAP Lida (kgf) (kgf) (f) 1 4,3% 1621 1,05 1708 3 4,6% 2048 1,08 2207 5 4,9% 2041 1,09 2221 7 5,2% 2179 1,15 2507 2 5,5% 1943 1,12 2173 4 5,8% 1720 1,11 1904 6 6,1% 1770 1,15 2038 8 6,4% 1511 1,14 1715 A tabela 6 trará os dados calculados com base nos dados de ensaio. Tabela 6 - Dados calculados
Teor de Agregado CAP Graúdo (%) (%) 4,3 4,6 4,9 5,2 5,5 5,8 6,1 6,4
40,19 40,07 39,94 39,82 39,69 39,56 39,44 39,31
Agregado miúdo (%)
DMT (g/cm³)
Vv(%)
Vasf. (%)
Vam (%)
RBV(%)
55,51 55,33 55,16 54,98 54,81 54,64 54,46 54,29
2,694 2,681 2,667 2,653 2,640 2,627 2,614 2,601
11,37 9,82 9,50 8,41 7,75 6,90 6,21 5,76
10,07 10,90 11,59 12,39 13,13 13,91 14,66 15,38
21,44 20,72 21,10 20,80 20,88 20,81 20,87 21,14
46,96 52,62 54,96 59,55 62,88 66,82 70,26 72,74
Para uma melhor apresentação dos dados, foram elaborados os gráficos que seguem.
11 Gráfico 1 - Variação da Dap para diferentes teores de CAP. TEOR DE CAP x Dap 2,453 a r 2,443 u t s i m2,433 a d 2,423 e t n e r 2,413 a p a e2,403 d a d i s 2,393 n e D 2,383
2,451
2,451
6,1
6,4
2,445 2,435 2,430 2,417 2,414
2,388
2,373 4,3
4,6
4,9
5,2
5,5
5,8
Teor de asfalto (%)
Gráfico 2 - Verificação da carga máxima resistida pelo CP para diferentes concentrações de CAP.
TEOR DE CAP x ESTABILIDADE 2300
2179
2200 2048
2100 ) 2000 N ( e 1900 d a d i 1800 l i b 1700 a t s E 1600
2041 1943
1720
1770
1621 1511
1500 1400 1300 4,3
4,6
4,9
5,2
5,5
Teor de Asfalto (%)
5,8
6,1
6,4
12 Gráfico 3 - Verificação da fluência em corpos de prova com diferentes teores de CAP.
TEOR DE CAP x FLUÊNCIA 8 7,52 7,5 ) m 7 m ( a i 6,5 c n ê u l F 6
6,94
6,92 6,66
6,65
6,51
5,98 5,56
5,5 5 4,3
4,6
4,9
5,2
5,5
5,8
6,1
6,4
Teor de asfalto (%)
Gráfico 4 - Relação entre o CAP e massa específica teórica máxima.
TEOR DE CAP x DMT ) ³ 2,706 m c / g ( a 2,686 m i x á 2,666 m a c i r 2,646 ó e t a c i 2,626 f í c e p s 2,606 e a s s 2,586 a M
2,694 2,681 2,667 2,653 2,640 2,627 2,614 2,601
4,3
4,6
4,9
5,2
5,5
Teor de asfalto (%)
5,8
6,1
6,4
13 Gráfico 5 - Teor de CAP x Volume de Vazios.
TEOR DE CAP x Vv 12,00
11,37
11,00 ) % ( 10,00 s o i z a 9,00 V e d 8,00 e m u 7,00 l o V 6,00
9,82
9,50 8,41 7,75 6,90 6,21 5,76
5,00 4,3
4,6
4,9
5,2
5,5
5,8
6,1
6,4
Teor de asfalto (%)
Gráfico 6 – Volume de vazios x Vazio do Agregado Mineral. TEOR DE CAP x Vam 21,60 ) % ( l 21,40 a r e n i 21,20 m o d a 21,00 g e r g a o 20,80 d s o i z 20,60 a V
21,44
21,14
21,10 20,88 20,81
20,80
20,87
20,72
20,40 11,37
9,82
9,50
8,41
7,75
Volume de Vazios (%)
6,90
6,21
5,76
14 Gráfico 7 - Teor de CAP pela Relação Betume/Vazios.
TEOR DE CAP x RBV 72,74
75,00 ) %70,00 ( s o i 65,00 z a v / e 60,00 m u t 55,00 e b o 50,00 ã ç a l e 45,00 R
70,26 66,82 62,88 59,55 54,96 52,62 46,96
40,00 4,3
4,6
4,9
5,2
5,5
Teor de asfalto (%)
5,8
6,1
6,4
15
5.
CONCLUSÕES E DISCUSSÕES Da análise gráfica e dos dados aqui apresentados, percebe-se que o teor de melhor destaque é
de 5,2%, resultando na maior estabilidade e numa fluência baixa. Isso faz com que o agregado tenha um bom comportamento se corretamente empregado. Os ensaios também permitiram visualizar os cuidados e as técnicas empregadas para caracterização e amostragem de uma mistura, o que é muito válido do ponto de vista acadêmico, possibilitando um maior contato com os materiais de campo. Também, pode meio da prática, observa-se a importância de cada uma das características apresentadas neste trabalho, as quais são necessárias para se ter uma mistura de qualidade.
16
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMEIDA, Ricardo de Melo. Dosagem de misturas a quente pelo método Marshall . In: [s.l.: s.n.], 2014. BERNUCCI, MOTTA; CERATTI; et al. Pavimentação Asfáltica – Formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro: PETROBRAS, 2008. Disponível em . Acesso em: 16 maio 2016. DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. ME 043: Misturas betuminosas a quente – ensaio Marshall. Brasília, 1995. _______. ME 117: Misturas betuminosas – determinação da densidade aparente. Brasília, 1994. _______. ME 311: Especificação de Serviço. Brasília, 1997. HIRSCH, F. Influência do tipo de ligante e teor de finos na dosagem Marshall . In: [s.l.: s.n.], 2005. ARAÚJO, Janaina Lima de. Características funcionais e mecânicas de misturas asfálticas para revestimento de pavimento aeroportuário . Brasília: UNB, 2009.
17
ANEXOS
18 ANEXO 1 – ME 043/1995
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
