UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ LUIZ ANTONIO MARTINS FILHO
ENSAIOS DE VISCOSIDADE, PENETRAÇÃO, PONTO DE AMOLECIMENTO, DOSAGEM MARSHALL E CBR
MARINGÁ 27/11/2012
1. INTRODUÇÃO Os ensaios relatados nesse trabalho são direcionados aos ligantes asfálticos, e cada um, com seus parâmetros, indica se o ligante é próprio ou impróprio para o uso. A seguir, serão descritos os ensaios realizados, seus resultados e suas respectivas analises.
2. VISCOSIDADE
2.1. Fundamentação teórica Para a realização dos ensaios de viscosidade, podem ser utilizados diversos modelos de ensaio, sendo os ensaios diferenciados pelo tipo de equipamento utilizado. Os equipamentos utilizados nesse ensaio são os viscosímetro. No Brasil, o viscosímetro mais utilizado é o de Saybolt-furol, que também foi o viscosímetro utilizado no nosso experimento. O viscosímetro de Sabolt-furol compõe-se de um tubo com formato e dimensões padronizadas, no fundo do qual fica um orifício de diâmetro 3,15 ± 0,02mm. O tubo, cheio de material a ensaiar, é colocado num recipiente com óleo (banho) com o orifício fechado. Quando o material estabiliza na temperatura exigida (25 a 170ºC dependendo do material e 135ºC para os cimentos asfálticos), abre-se o orifício e inicia-se a contagem do tempo. Desliga-se o cronômetro quando o líquido alcança, no frasco inferior, a marca de 60ml. O valor da viscosidade é reportado em segundos Saybolt-Furol, abreviado como SSF, a uma dada temperatura de ensaio. A medida da viscosidade do ligante asfáltico é importante para a determinação da consistência adequada que ele deve apresentar quando da mistura com os agregados para proporcionar uma perfeita cobertura dos mesmos e quando de sua aplicação no campo. Para isso é necessário se obter, para cada ligante asfáltico, uma curva de viscosidade com a temperatura que permita escolher a faixa de temperatura adequada para as diversas
utilizações. O ensaio de viscosidade tem como objetivo indicar a resistência do CAP ao fluxo. A norma que direciona a metodologia deste ensaio é a NBR 14491.
2.2. Resultados Os resultados obtidos para este ensaio foram os seguintes: Ensaio ºC sSF 135 142 150 70 177 25
100 ) F S s ( o p m e t
Series1
10 125
150
175
temperatura ( C)
ͦ
Gráfico 1 – viscosidade em segundos Sabolt-furol variando com a temperatura. Calculo da viscosidade 75 e 95 sSF através da equação: T CAP
T T T 75 95 75 2
( )( )
2.3. Análises dos resultados Conforme será melhor abordado no relatório referente a Dosagem Marshall, A temperatura do ligante não deve ser inferior a 107ºC nem superior a 177ºC quando a viscosidade se encontra dentro da faixa calculada ( 75 e 95 sSF). Também os agregados não podem ultrapassar esse valor, sendo que sua temperatura deve ser de 10 a 15 graus acima da temperatura do ligante. Assim, podemos concluir que o resultado obtido torna a amostra adequada.
3. PENETRAÇÃO
3.1. Fundamentação teórica A penetração é a profundidade, em décimos de milímetro, que uma agulha de massa padronizada (100g) penetra numa amostra de volume padronizado de cimento asfáltico, por 5 segundos, à temperatura de 25ºC, e tem como objetivo determinar a dureza do CAP, sendo a consistência maior quanto menor for a penetração da agulha. Classifica-se a amostra da seguinte forma: CAPs 30/45, 50/70, 85/100, 150/200 segundo a nova especificação brasileira de cimento asfáltico de petróleo (cap) (ANp, 2005). Quanto maior a faixa de penetração, maior a viscosidade e mais sujeita esta a suscebilidade térmica. O ensaio é realizado conforme a NBR 6576/98.
3.2. Resultados Os resultados obtidos foram de acordo com a tabela 3.1: Leitura
Inicial (0,1 mm)
Final (0,1 mm)
Penetração (0,1 mm)
1
189
281
92
2
196
299
103
3
191
274
83
4
193
279
86
5
201
284
83
6
196
230
34
7
194
267
73
8
195
265
70
Tabela 3.1 – Ensaio de penetração. Através de um calculo feito em planilha encontrou-se o valor da média das penetrações, excluindo o menor e o maior valor encontrado, encontrando assim o valor da penetração (P) encontrada nesse ensaio. P = 81,2 mm
3.3. Análises dos resultados Com o valor de P = 81,2 mm, classificamos essa amostra de CAP em 85/100 pois é a faixa que mais se aproxima. No entanto, esse valor obtido não deve ser aceito devido:
A temperatura do ambiente não estava adequadamente controlada;
O experimento foi realizado com fins didáticos e por pessoas inexperientes;
Foi realizado um número de amostras superior ao necessário, causando uma possível deformação na amostra.
4. PONTO DE AMOLECIMENTO
4.1. Fundamentação teórica O ensaio de ponto de amolecimento tem como objetivo correlacionar a temperatura na qual o asfalto amolece quando aquecido sob certas condições particulares e atinge uma determinada condição de escoamento. Esse ensaio é utilizado para estimativa de suscetibilidade térmica, além de também estar presente em especificações de asfaltos modificados e asfaltos soprados. Para o ensaio ser aceito, as temperaturas no momento que as esferas tocam o fundo do recipiente não podem diferir de 1ºC. A classificação do CAP quanto ao ponto de amolecimento é feita conforme a tabela 4.1.
Tabela 4.1: Classificação do CAP pelo ponto de amolecimento.
CAP
30/45
50/70
85/100
150/200
Ponto de amol. (°C)
52
46
43
37
O ensaio segue a metodologia segundo ABNT NBR 6576/98.
4.2. Resultados Os resultados obtidos neste experimento estão na tabela 4.2. Tabela 4.2 – ponto de amolecimento
Amostra
Temperatura (ºC)
01
40
02
40
4.3. Analise dos resultados Como a diferença de temperatura foi inferior a 1ºC, o resultado é aceitável. Quanto a classificação, classifica-se a amostra como 85/100, por ser mais próximo dessa faixa.
5. DOSAGEM MARSHALL
5.1. Fundamentação teórica A dosagem de uma mistura asfáltica consistem na determinação de um teor ótimo de ligante a partir de uma faixa granulométrica definida. O método de dosagem Marshall é o mais utilizado no Brasil. Os parâmetros para a realização do ensaio são os seguintes:
Determinação das massas específicas reais do cimento asfáltico de petróleo (CAP) e dos agregados a serem usados
Seleção da faixa granulométrica a ser utilizada de acordo com a mistura asfáltica.
Escolha da composição dos agregados, de forma a enquadrar a sua mistura nos limites da faixa granulométrica escolhida.
Escolha das temperaturas de mistura e de compactação, a partir da curva viscosidade-temperatura do ligante escolhido A temperatura do ligante na hora de ser misturado ao agregado deve ser tal que a sua viscosidade esteja situada entre 75 e 150SSF (segundos Saybolt-Furol), de preferência entre 75 e 95SSF ou 0,17±0,02Pa.s se medida com o viscosímetro rotacional. A temperatura do ligante não deve ser inferior a 107ºC nem superior a 177ºC. A temperatura dos agregados deve ser de 10 a 15ºC acima da temperatura definida para o ligante, sem ultrapassar 177ºC. A temperatura de compactação deve ser tal que o ligante apresente viscosidades na faixa de 125 a 155SSF.
Adoção de teores de asfalto para os diferentes grupos de CPs a serem moldados. Cada grupo deve ter no mínimo 3 CPs.
Após o resfriamento e a desmoldagem dos corpos-de-prova, obtêm-se as dimensões do mesmo (diâmetro e altura). Determinam-se para cada corpo-de-prova suas massas seca (MS) e submersa em água (MSsub). Com estes valores é possível obter a massa específica aparente dos corpos-de-prova (Gmb), que, por comparação com a massa específica máxima teórica (DMT), vai permitir obter as relações volumétricas típicas da dosagem.
A partir do teor de asfalto do grupo de CPs em questão (%a), ajusta-se o percentual em massa de cada agregado.
A dosagem Marshall busca moldar corpos de prova com a mesma granulometria, porém com teores de ligantes variáveis. Após a confecção e o tempo de repouso adequado, o CP é rompido por uma prensa especial e se extrai a carga do rompimento e a sua fluência (deformação). Deve obter também a sua densidade, volume de vazios e a relação betume vazio. Os valores devem ser comparados e obedecer faixas pré definidas para se encontrar o teor ótimo de betume. A norma que padroniza o ensaio é a DNER-ME 043/95.
5.2. Resultados Através de cálculos realizados em sala, os resultados obtidos para este ensaio é de acordo com as tabelas 5.1 e 5.2 abaixo. Tabela 5.1.
Tabela 5.2
Através de cálculos feitos em planilha, chegou-se aos seguintes resultados: Tabela 5.3 – Valores de Carga Corrigida e Fluência
CP
Carga (N)
1 2 3 4 5 6 7 8
7125 7344 7598 7602 7452 7011 6984 6581
Fator de correção 1,05 1,11 1,11 1,16 1,13 1,17 1,15 1,19
Carga Corrigida (N) 7481 8152 8434 8818 8421 8203 8032 7831
Fluência (mm) 2,38 2,49 2,54 2,69 2,76 2,83 2,87 2,99
A seguir, os gráficos referentes aos dados obtidos: Gráfico 5.1 – teor de ligante x volume de vazios. 8.00 7.00 ) 6.00 % ( s 5.00 o i z a 4.00 v e d e 3.00 m u 2.00 l o V
1.00 0.00 1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Teor de ligante (%)
6.0
7.0
8.0
Gráfico 5.2 – teor de ligante x densidade aparente. 2.59 2.58 ) ³ m c / 2.57 g ( e t 2.56 n e r a 2.55 p a e d 2.54 a d i s 2.53 n e D 2.52 2.51 0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
Teor de ligante (%)
Gráfico 5.3 – teor de ligante x RBV. 90.00 85.00 80.00 ) %75.00 ( V B R70.00
65.00 60.00 55.00 4.0
5.0
6.0
Teor de Ligante (%)
7.0
Gráfico 5.4 – teor de ligante x fluência. 3.2
3 ) m m2.8 ( a i c n ê 2.6 u l F
2.4
2.2 4
5
6
7
Teor de ligante (%)
Gráfico 5.5 – teor de ligante x estabilidade. 9000 8800 8600
) N ( 8400 e d a d i 8200 l i b a t 8000 s E
7800 7600 7400 4
5
6
Teor de ligante (%)
7
6. CBR
6.1. Fundamentação teórica A espessura depende, além do tráfego do local, do índice de suporte (CBR) do solo. A capacidade de suporte de um solo compactado pode ser medida através do método do índice de suporte, que fornece o “Índice de Suporte Califórnia - ISC” (California Bearing Ratio - CBR). Assim como grande parte dos métodos americanos, trata-se de um ensaio empírico. Este ensaio é adotado por varios órgãos rodoviários, no Brasil e no mundo e tem como objetivo determinar: O índice de suporte Califórnia (CBR) e a expansão (E). O ensaio CBR consiste na determinação da relação entre a pressão necessária para produzir uma penetração de um pistão num corpo de prova de solo, e a pressão necessária para produzir a mesma penetração numa mistura padrão de brita estabilizada granulometricamente. Essa relação é expressa em porcentagem. Considera-se o experimento dividido em duas etapas: expansão e penetração. Na fase de expansão o corpo de prova fica imerso por 96 horas e medese, em determinados intervalos de tempo a expansão em mm do corpo de prova. A fase de penetração é realizada após a de expansão com o objetivo de determinar o valor do CBR. O ensaio do Índice de Suporte Califórnia foi padronizado no Brasil pela ABNT: NBR 9895/87. Outra norma de referência é a 049/94, que é a principal referência para este experimento.
6.2. Resultados Os resultados obtidos no ensaio de expansão e no ensaio de penetração estão tabelados a seguir. Esses resultados são relativos ao cilindro 4 que possui altura de 11,39 cm.
Tabela 6.1: Dados do ensaio Expansão do CBR LEIT. DIFERENÇA
(%)
1
1
-
4
0,68
32,00
Ocorreu uma retração de 0,32 mm. Quando comparado com o valor da altura de 113,9 mm observou-se uma variação de 0,225 %.
Tabela 6.2: Dados do ensaio Penetração do CBR PRESSÃO CBR PEN. TEMPO LEITURA CALCULADA (%) 0 0 0 0 0,63 0,5 2 0,82 1,27 1 3 0,94 1,90 1,5 4 1,05 2,54 2 5 1,16 1,66 3,17 2,5 6 1,27 3,81 3 7 1,39 4,44 3,5 8 1,50 5,08 4 9 1,61 2,30 6,35 5 11 1,84 7,62 6 13 2,06 8,89 7 15 2,29 10,16 8 17 2,52 11,43 9 18 2,63 12,70 10 19 2,74
O CBR encontrado foi de 2,30%.
Gráfico 6.1
penetração (mm) x pressão (kgf/cm²) 3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00 0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00
Gráfico 6.1 : A pressão no eixo vertical pela penetração no eixo horizontal. A seguir encontra-se a tabela do peso específico aparente do solo seco e da umidade para cada amostra dos cilindros ensaiados.
Tabela 6.3: Dados das Amostras em questão
Peso Esp. Ap. do solo Umidade(%) seco (g/cm³) 13 1,651 4,67 1 1,719 5,03 2 1,848 6,82 9 1,988 8,35 3 2,037 9,10 5 2,044 10,69 6 1,934 12,04 4 1,852 13,49
Cilindro
Com os dados acima, pode-se traçar a curva Peso específico aparente do solo seco x teor de umidade. Gráfico 6.2 2.1 ) ³ 2.05 m c / 2 g ( o c 1.95 e s o l o 1.9 s o d 1.85 e t n e r 1.8 a p A1.75 . p s E 1.7 o s e P 1.65
1.6 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
Teor de umidade (%)
Gráfico 6.2 : Curva Peso Esp. Aparente do solo seco x Teor de umidade Pelo gráfico pode-se observar que para o teor de umidade de 10% o peso específico aparente do solo seco é máximo, que vale aproximadamente 2,05 g/cm³.
6.3 Conclusão O ensaio Índice de Suporte Califórnia ocorreu como esperado. Os objetivos foram atingidos. Para o valor de peso especifico aparente de 2,05 g/cm³, encontrou-se um teor de umidade de 10%, o qual é definido como sendo a umidade ótima para esse solo. Outras considerações a cerca do ensaio são:
O valor do CBR ou ISC encontrado para o cilindro 4 em questão foi de 2,30%. Esse valor é um valor baixo, sendo o mais baixo de todos, pois a umidade da amostra do cilindro 4, de 13,69%, não é a umidade ótima para esse solo, sendo bem acima da mesma.
Como essa umidade está bem acima da ótima, durante o período de ensaio de expansão, ouve uma retração de 0,32 mm no quarto dia, o que equivale uma retração de 0,225% em comparação com a altura do cilindro de 113,9 mm.. Devido ao fato de não ter sido feito observações das retrações
intermediarias, somente a inicial e final, não foi possível obter maiores precisões no ensaio. Porém, pode-se considerar que o ensaio foi realizado com sucesso, o qual é dar uma noção aos alunos de como se faz a determinação do CBR segundo a DNER-ME 049/94.
REFERÊNCIAS BERNUCCI, L.B; MOTTA, L.M.G; CERATTI, J.A.P; SOARES, J.B. – Pavimentação Asfáltica, Formação Básica para Engenheiros. Rio de Janeiro 2008
http://geotecniaefundacoes.blogspot.com.br/2010/06/indice-de-suportecalifornia-cbr.html, acesso em 26/11/2012 as 19:30
http://meusite.mackenzie.com.br/pavimento/PDF/Capacidade%20de%20 Suporte%20CBR.pdf, acesso em 26/11/2012 as 19:40
http://transportes.ime.eb.br/MATERIAL%20DE%20PESQUISA/LABOTA TORIO/LAB%20LIGANTES/03_ensaios_cimento_asfaltico_04.htm#Viscosidad eSayboltFurol, acesso em 26/11/2012 as 20:00
______, DNER-ME 049/94
- Solos: determinação do Índice de Suporte
California utilizando amostras não trabalhadas . Rio de Janeiro, 1994.
______, NBR 14491/07
- Emulsões asfálticas - Determinação da
viscosidade Saybolt Furol . Rio de Janeiro, 2007.
______,
NBR 6576/98 – material betuminoso – determinação da
penetração . Rio de Janeiro, 2007.
