UNIVERSIDADE TCNICA DE LISBOA INSTITUTO SUPERIOR TCNICO Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha Henrique Manuel Borges Miranda (Licenciado em Engenharia Civil) Dissertao para obteno do Grau de Mestre em Transportes Ori ent ador:DoutorJosManuel Coel hodas Neves Co-Or ient adora:Dout ora Ft i ma Al exandraBarata Ant unesBat i st a JriPresidente: Dout orJosManuel Car Bapt i st aVi egas Vogai s:Dout or JorgeCarvalhoPai s Dout orJosManuel Coel hodas Neves Dout oraFt i maAl exandraBarat aAntunesBat ista Janeiro de 2008 Aos meus Pais, Ftima e Jos, Irmo, Paulo, ... 20 %inspirao 80 %transpirao ... Resumo I R RE ES SI IS ST T N NC CI IA A F FA AD DI IG GA A D DE E M MI IS ST TU UR RA AS S B BE ET TU UM MI IN NO OS SA AS S C CO OM M B BE ET TU UM ME E M MO OD DI IF FI IC CA AD DO O C CO OM M A AL LT TA A P PE ER RC CE EN NT TA AG GE EM M D DE E B BO OR RR RA AC CH HA A Nome: Henrique Manuel Borges Miranda Curso de Mestrado em Transportes Orientador: Jos Manuel Coelho das Neves Co-orientador: Ftima Alexandra Barata Antunes Batista Provas concludas em: Resumo: Estadissertaotemcomoobjectivooestudodaresistnciafadigademisturas betuminosas com betume modificado com alta percentagem de borracha (BMBAP). AresistnciafadigadasmisturasbetuminosascomBMBAPfoiavaliadaatravsdo ensaiodeflexoemquatropontos,aextensocontrolada,comaaplicaodecarregamento sinusoidalcomdiferentesfrequncias,deacordocomoprocedimentodeensaiodanorma europeia EN 12697-24:2004.NestaavaliaoforamutilizadasquatromisturasbetuminosascomBMBAP:deobra, foram estudadas duas misturas betuminosas, sendo uma aberta e outra rugosa com granitos; de laboratrio,foramutilizadasduasmisturasbetuminosas,umaabertacomgranitoseoutra rugosacomseixos.Naavaliaodocomportamentofadigafoiaveriguadooefeitodo envelhecimento para a mistura betuminosa com seixos, simulado em laboratrio. Os resultados obtidos mostraram, em geral, um desempenho fadiga adequado para as misturasestudadas.Osensaiosrealizadospermitiramevidenciarumaclarainflunciada frequnciadeensaioe,nocasoespecficodasmisturasrugosas,umabaixasensibilidadeao envelhecimento. Palavras-Chave:Estradas;Pavimentosrodovirios;Misturasbetuminosas;Betumemodificado com borracha; Fadiga; Envelhecimento Abstract III F FA AT TI IG GU UE E R RE ES SI IS ST TA AN NC CE E O OF F B BI IT TU UM MI IN NO OU US S M MI IX XT TU UR RE ES S W WI IT TH H H HI IG GH H C CO ON NT TE EN NT T O OF F C CR RU UM MB B R RU UB BB BE ER R Abstract: The main objective of thisdissertation is to study the fatigue resistanceof bituminous mixtures with high content of crumb rubber (BMBAP). The fatigue behaviour evaluation of the bituminous mixtures with BMBAP was carried outthroughfourpointbendingfatiguetest,withcontrolledstrain,applyingasinusoidalload with different frequencies, according to the European standard EN 12697-24:2004. Forassessingthefatiguebehaviourofthismixtures,fourbituminousmixtureswith high content of crumb rubber were used: two field bituminous mixtures an open-graded and agap-gradedbothwithgraniteaggregates;andtwolaboratorymanufacturedbituminous mixturesanopen-gradedwithgraniteaggregatesandanotheronegap-gradedwithnatural gravel aggregates. Furthermore, the effect of laboratory ageing on the bituminous mixture with natural gravel, was analysed. Theobtainedresultsshowedingeneralanadequatefatigueperformanceforthe mixturesstudied.Theworkcarriedoutrevealedaclearinfluenceofthefrequencytest,but also a decrease of the ageing sensibility in the specific case of the gap-graded mixtures. Key-words: Highways; Road Pavements; Asphalt mixtures; Asphalt rubber; Fatigue; Ageing Agradecimentos V A AG GR RA AD DE EC CI IM ME EN NT TO OS S GostariadeexpressaromeureconhecimentoaoLNECnapessoadoseuPresidente, InvestigadorCoordenadorMatiasRamos,pelosmeiosfacultadosesvriaspessoasque contriburam directa ou indirectamente para a realizao deste trabalho. Em particular desejo agradecer: Aomeuorientador,ProfessorAuxiliarnoIST,DoutorJosNeves,querodemonstraro meuprofundoagradecimento,nospelaorientaodestetrabalho,comopelaconfianaem mim depositada para a sua concretizao e pelo entusiasmo, incentivo e amizade que sempre me demonstrou. minhaco-orientadora,InvestigadoraAuxiliarnoLNEC,DoutoraFtimaBatista,por quemnutrograndeconsiderao,agradeotodaacolaboraodemonstradaaquandoda realizao dos ensaios e leitura crtica do manuscrito. Mas acima de tudo, quero agradecer toda a sua amizade e reconhecimento. Investigadora Principal Doutora Lurdes Antunes, Chefe do Ncleo de Infra-Estruturas RodoviriaseAeroporturias(NIRA)doDepartamentodeTransportes(DT)doLNEC,nos pelo conjunto de conselhos cientficos que me deu ao longo do desenvolvimento deste trabalho, mas tambm pela disponibilizao de meios humanos e materiais para a sua concretizao. AoEngenheiroPauloFonseca,DirectorGeraldaRECIPAV,pelapermanente disponibilidadeeportodooapoio,nomeadamente,nofornecimentodeinformao imprescindvel para a realizao deste trabalho. ProfessoraCoordenadoranoISEL,DoutoraMariadaGraaAlfaroLopes,pelasua perspicciaeposiopr-activaenquantoamiga,nodelongadata,masdeumaamigapara sempre.Aelaqueroaindaagradecertodaasabedoriaeajudanosmomentoscruciaisda realizao deste trabalho. Agradecimentos VI AosmeussuperioresnoISEL,ProfessorAdjuntoTelesForteseProfessorAdjunto ArmandoMartins,portodaaamizadeetempoquemedisponibilizarampararealizaodeste trabalho. A todos os Professores do Mestrado de Transportes do IST deixo tambm uma palavra de agradecimento pelo estmulo e ensinamentos que conseguiram transmitir nas suas aulas. Aos Senhores Jos Reimo, Carlos Pimentel, Nuno Nunes, Ildio Grilo, Eduardo Coimbra eEng.GrazielaGato,ExperimentadoresdoNIRA/DT,peloprofissionalismo,dedicaoe disponibilidadesempredemonstradasnarealizaodosensaiosepelaajudasempreque solicitada. Porltimo,masnomenosimportantes,gostariademanifestarosmeusprofundose sinceros agradecimentos, em particular: minha famlia, em especial aos meus pais, responsveis pela pessoa que hoje sou e pela experincia de vida que sempre me transmitiram. Ana Alonso, pela pacincia, compreenso, motivao, amor e carinho que sempre me transmitiu mesmo nos momentos mais difceis, em que tivemos de nos privar da companhia um do outro, e por todo o apoio na concretizao deste trabalho. AoSenhorArsnioAlonsoeSlviaMendes,queroagradecerparaalmdaamizadeo apoio na reviso do texto. AtodososmeusAmigos,quenoconvivendodirectamentecomigonarealizaodeste trabalho,semprememotivarameestimularamnasuaconcretizao,comoPauloLeito, Pedro Soares,BrunoTalhinhas,CarlaFarelo,MiguelMendeseatodosorestantesqueaqui omito, no por me esquecer deles mas porque tornariam esta lista muito extensa. ndice VII R RE ES SI IS ST T N NC CI IA A F FA AD DI IG GA A D DE E M MI IS ST TU UR RA AS S B BE ET TU UM MI IN NO OS SA AS S C CO OM M B BE ET TU UM ME E M MO OD DI IF FI IC CA AD DO O C CO OM M A AL LT TA A P PE ER RC CE EN NT TA AG GE EM M D DE E B BO OR RR RA AC CH HA A N ND DI IC CE E 1Introduo ............................................................................................................................... 1 1.1Enquadramento do tema..................................................................................................... 1 1.2Objectivos e metodologia................................................................................................... 5 1.3Estrutura do trabalho.......................................................................................................... 6 2Resistncia fadiga de misturas betuminosas ..................................................................... 9 2.1Mecanismos de degradao................................................................................................ 9 2.2Fendilhamento por fadiga................................................................................................. 14 2.3Comportamento reolgico................................................................................................ 19 2.4Factores que afectam a resistncia fadiga ..................................................................... 21 2.4.1Trfego....................................................................................................................... 22 2.4.2Betume....................................................................................................................... 25 2.4.3Agregados.................................................................................................................. 31 2.4.4Compactao ............................................................................................................. 33 2.4.5Temperatura............................................................................................................... 37 2.4.6Envelhecimento ......................................................................................................... 38 2.5Consideraes finais......................................................................................................... 41 3Misturas betuminosas com betume modificado com alta percentagem de borracha..... 43 3.1A utilizao de borracha em misturas betuminosas ......................................................... 43 3.2Betume modificado com alta percentagem de borracha (BMBAP)................................. 48 3.2.1Betume....................................................................................................................... 48 3.2.2Borracha..................................................................................................................... 49 3.3Produo de BMBAP....................................................................................................... 54 3.4Descrio das misturas betuminosas com BMBAP......................................................... 59 3.5Caracterizao do desempenho das misturas betuminosas com BMBAP ....................... 62 3.5.1Resistncia fadiga ................................................................................................... 64 3.5.2Resistncia ao envelhecimento.................................................................................. 69 3.6Consideraes finais......................................................................................................... 72 ndice VIII 4Ensaios de laboratrio para caracterizao da resistncia fadiga................................ 75 4.1Generalidades .................................................................................................................. 75 4.2Mtodos e procedimentos de ensaio................................................................................ 75 4.3Ensaio de traco indirecta .............................................................................................. 82 4.4Ensaio de flexo............................................................................................................... 84 4.4.1Ensaio de flexo em dois pontos............................................................................... 84 4.4.2Ensaio de flexo em trs pontos................................................................................ 86 4.4.3Ensaio de flexo em quatro pontos ........................................................................... 88 4.4.3.1Ensaio de flexo em quatro pontos segundo a norma EN 12697-24:2004 e EN 13108-20:2006................................................................................................. 89 4.4.3.2Anlise comparativa da norma AASHTO TP8-94 com a EN 12697-24:2004...... 94 4.5Consideraes finais ........................................................................................................ 97 5Estudo experimental das misturas betuminosas com BMBAP........................................ 99 5.1Introduo........................................................................................................................ 99 5.2Breve descrio das obras................................................................................................ 99 5.3Caracterizao dos materiais utilizados no estudo ........................................................ 101 5.3.1Misturas betuminosas abertas com BMBAP .......................................................... 102 5.3.1.1Caracterizao do BMBAP.................................................................................. 105 5.3.1.2Caracterizao dos agregados.............................................................................. 108 5.3.1.3Amostras recohidas da obra EN 14 ..................................................................... 111 5.3.1.4Amostras fabricadas em laboratrio .................................................................... 112 5.3.2Misturas betuminosas rugosas com BMBAP.......................................................... 115 5.3.2.1Caracterizao do BMBAP.................................................................................. 118 5.3.2.2Caracterizao dos agregados.............................................................................. 120 5.3.2.3Amostras recolhidas da obra EN 1 ...................................................................... 123 5.3.2.4Amostras fabricadas em laboratrio .................................................................... 125 5.4Avaliao do comportamento fadiga das misturas betuminosas com BMBAP ......... 126 5.4.1Metodologia adoptada............................................................................................. 126 5.4.2Apresentao e anlise de resultados ...................................................................... 128 5.5Avaliao da influncia do envelhecimento no comportamento fadiga das misturas betuminosas com BMBAP ............................................................................................ 135 6Concluses e trabalhos futuros ......................................................................................... 139 6.1Concluses..................................................................................................................... 139 6.2Trabalhos futuros ........................................................................................................... 142 Referncias bibliogrficas ........................................................................................................ 143 ndice de Figuras IX R RE ES SI IS ST T N NC CI IA A F FA AD DI IG GA A D DE E M MI IS ST TU UR RA AS S B BE ET TU UM MI IN NO OS SA AS S C CO OM M B BE ET TU UM ME E M MO OD DI IF FI IC CA AD DO O C CO OM M A AL LT TA A P PE ER RC CE EN NT TA AG GE EM M D DE E B BO OR RR RA AC CH HA A N ND DI IC CE E D DE E F FI IG GU UR RA AS S Figura 2.1 Resposta de um pavimento flexvel quando sujeito a uma carga uniforme P .......11 Figura 2.2 Diversas fases do fendilhamento por fadiga .............................................................17 Figura 2.3 Resultado de um ensaio de fadiga com e sem aplicao de perodos de repouso.....18 Figura 2.4 Caracterizao do mdulo de deformabilidade da mistura betuminosa funo do tempo de aplicao da carga e da temperatura..........................................................19 Figura 2.5 Representao esquemtica do modelo de Burgers e resposta quando solicitado por uma carregamento com tenso constante ...........................................................20 Figura 2.6 Estimativa do nmero de aplicaes de carga para se atingir a rotura em funoda presso de enchimento dos pneus.........................................................................23 Figura 2.9 Resultados finais dos ensaios de adesividade feitos em traco simples..................26 Figura 2.10 Lei de fadiga para diferentes percentagens de betume............................................27 Figura 2.11 Comparao da adesividade de um betume no modificado (esquerda) e de um betume modificado (direita)....................................................................................29 Figura 2.12 Vida fadiga de uma mistura betuminosa em funo da sua porosidade...............35 Figura 2.13 Leis de fadiga para diferentes temperaturas............................................................38 Figura 2.14 Variao do envelhecimento do betume e alterao dos seus componentes ao longo do tempo.......................................................................................................39 Figura 3.1 Processo de adio de borracha de pneus reciclados ................................................47 Figura 3.2 P de borracha (esquerda) e de granulado de borracha (direita) utilizado no fabrico do BMBAP ...................................................................................................51 Figura 3.3 Central transportvel para produo de BMBAP .....................................................55 Figura 3.4 Processo de fabrico do BMBAP ...............................................................................56 Figura 3.5 Modelo hipottico de interaco entre as partculas de borracha e o betume convencional .............................................................................................................57 Figura 3.6 Composio e propriedades das misturas betuminosas com BMBAP utilizadasem Portugal ...............................................................................................................60 Figura 3.7 Comparao da resistncia fadiga de mistura convencional com mistura rugosa com BMBAP.............................................................................................................66 Figura 3.8 Comparao da resistncia fadiga para quatro misturas betuminosas com BMBAP.....................................................................................................................67 ndice de Figuras X Figura 3.9 Representao das leis de fadiga das misturas betuminosas com BMBAP e com betume modificado com polmeros SBS.................................................................. 68 Figura 3.10 Comparao do desempenho fadiga de misturas com BMBAP aplicadas na EN 104 e envelhecidas em laboratrio................................................................... 71 Figura 3.11 Comparao do desempenho fadiga entre misturas com BMBAP e betume convencional com e sem envelhecimento 1 Fase, efectuados a 20 C............ 72 Figura 4.1 Resultados obtidos no ensaio de fadiga a tenso controlada e a extenso controlada ................................................................................................................. 79 Figura 4.2 Equipamento NAT Laboratrio de Geotecnia do IST........................................... 83 Figura 4.3 Equipamento para ensaio de flexo em dois pontos com provetes trapezoidais ...... 85 Figura 4.4 Equipamento para realizao do ensaio de flexo em trs pontos............................ 87 Figura 4.5 Equipamento para realizao de ensaio de flexo em quatro pontos utilizado no LNEC........................................................................................................................ 88 Figura 4.6 Dimenses dos provetes prismticos utilizados no ensaio de flexo em quatro pontos ....................................................................................................................... 91 Figura 4.7 Variao da vida fadiga em funo do nmero de repeties por nvel de extenso.................................................................................................................. 93 Figura 5.1 Ilustrao das degradaes do pavimento da EN 14 .............................................. 100 Figura 5.2 Ilustrao das degradaes do pavimento da EN 1 ................................................ 101 Figura 5.3 Fuso granulomtrico da mistura de agregados e filer das misturasMBA-BMBAP........................................................................................................ 103 Figura 5.4 Curva granulomtrica da borracha de pneus reciclados adoptada no fabrico dos BMBAP e fuso granulomtrico especificado......................................................... 106 Figura 5.5 Curva granulomtrica da mistura de agregados da mistura MBA-granitos e fuso granulomtrico adoptado........................................................................................ 109 Figura 5.6 Curva granulomtrica da mistura de agregados da mistura MBA-granitos_lab efuso granulomtrico adoptado ................................................................................ 110 Figura 5.7 Lajes recolhidas da camada de desgaste da EN 14................................................. 111 Figura 5.8 Homogeneizao do BMBAP ................................................................................ 113 Figura 5.9 Processo de amassadura da mistura betuminosa em laboratrio ........................ 113 Figura 5.10 Processo de compactao das misturas betuminosas fabricadas em laboratrio.. 114 Figura 5.11 Fuso granulomtrico da mistura de agregados e filer das MBR-BMBAP ........... 116 Figura 5.12 Curva granulomtrica da borracha utilizada no fabrico dos BMBAP e fuso granulomtrico especificado................................................................................. 119 ndice de Figuras XI Figura 5.13 Curva granulomtrica da mistura de agregados da mistura MBR-granitos efuso granulomtrico adoptado...............................................................................121 Figura 5.14 Curva granulomtrica da mistura de agregados da mistura MBR-seixos e fuso granulomtrico adoptado.......................................................................................123 Figura 5.15 Lajes recolhidas da camada de desgaste da EN 1 .................................................124 Figura 5.16 Leis de fadiga das misturas betuminosas abertas com BMBAP...........................129 Figura 5.17 Leis de fadiga das misturas betuminosas rugosas com BMBAP..........................132 Figura 5.18 Envelhecimento dos provetes na estufa ................................................................135 Figura 5.19 Leis de fadiga das misturas betuminosas rugosas com BMBAP envelhecidas eno envelhecidas ...................................................................................................136 ndice de Quadros XIII R RE ES SI IS ST T N NC CI IA A F FA AD DI IG GA A D DE E M MI IS ST TU UR RA AS S B BE ET TU UM MI IN NO OS SA AS S C CO OM M B BE ET TU UM ME E M MO OD DI IF FI IC CA AD DO O C CO OM M A AL LT TA A P PE ER RC CE EN NT TA AG GE EM M D DE E B BO OR RR RA AC CH HA A N ND DI IC CE E D DE E Q QU UA AD DR RO OS S Quadro 2.1 Modelos de degradao por fadiga propostos por diversas instituies..................13 Quadro 2.2 Factores com influncia no comportamento das misturas betuminosas fadiga....21 Quadro 2.3 Factores do betume que afectam a rigidez e a resistncia fadiga de misturas betuminosas.............................................................................................................30 Quadro 2.4 Factores dos agregados com influncia na resistncia fadiga...............................33 Quadro 3.1 Cronologia dos estudos realizados em Portugal sobre o comportamento fadiga das misturas com BMBAP ......................................................................................73 Quadro 4.1 Efeito da forma da onda de aplicao da carga na vida fadiga de uma mistura betuminosa ..............................................................................................................78 Quadro 4.2 Comparao das variveis para ensaios realizados a tenso controlada e aextenso controlada.................................................................................................80 Quadro 4.3 Ensaios de caracterizao da fadiga contemplados na norma EN 12697-24:2004 .81 Quadro 4.4 Anlise comparativa da metodologia adoptada no ensaio de flexo em quatro pontos preconizado na AASHTO TP8-94 e na EN 12697-24:2004 .......................95 Quadro 5.1 Misturas betuminosas com BMBAP .....................................................................101 Quadro 5.2 Fuso granulomtrico adoptado para a mistura de agregados e filer das misturas MBA-BMBAP ......................................................................................................103 Quadro 5.3 Caractersticas dos agregados a utilizar em misturas betuminosas abertas deacordo com o Caderno de Encargos ......................................................................104 Quadro 5.4 Valores admissveis dos diferentes parmetros analisados nas misturasbetuminosas abertas com BMBAP........................................................................104 Quadro 5.5 Formulao das misturas betuminosas abertas com BMBAP...............................105 Quadro 5.6 Composio granulomtrica da borracha de pneus reciclados adoptada no fabrico dos BMBAP e fuso granulomtrico especificado......................................106 Quadro 5.7 Propriedades das amostras de BMBAP fornecidas pela RECIPAV .....................107 Quadro 5.8 Composio granulomtrica da mistura de agregados da mistura MBA-granitos 108 Quadro 5.9 Composio granulomtrica da mistura de agregados da mistura MBA-granitos_lab .................................................................................................110 ndice de Quadros XIV Quadro 5.10 Composio volumtrica dos provetes da mistura MBA-granitos recolhida da EN 14.............................................................................................................. 112 Quadro 5.11 Composio volumtrica dos provetes da mistura MBA-granitos_lab moldados em laboratrio ..................................................................................... 114 Quadro 5.12 Fuso granulomtrico adoptado para a mistura de agregados e filer dasMBR-BMBAP..................................................................................................... 115 Quadro 5.13 Caractersticas dos agregados a utilizar em misturas betuminosas rugosas de acordo com o Caderno de Encargos ................................................................... 116 Quadro 5.14 Valores admissveis dos diferentes parmetros analisados nas misturas betuminosas rugosas com BMBAP .................................................................... 117 Quadro 5.15 Formulao das misturas betuminosas rugosas com BMBAP............................ 117 Quadro 5.16 Composio granulomtrica da borracha utilizada no fabrico dos BMBAP e fuso granulomtrico especificado........................................................................ 118 Quadro 5.17 Propriedades das amostras de BMBAP .............................................................. 120 Quadro 5.18 Composio granulomtrica da mistura de agregados da mistura MBR-granitos ...................................................................................................... 121 Quadro 5.19 Composio granulomtrica da mistura de agregados da mistura MBR-seixos. 122 Quadro 5.20 Composio volumtrica dos provetes da mistura MBR-granitos recolhida da EN 1................................................................................................................ 124 Quadro 5.21 Composio volumtrica dos provetes da mistura MBR-seixos moldados em laboratrio............................................................................................................ 125 Quadro 5.22 Misturas betuminosas com BMBAP utilizadas na avaliao do comportamento fadiga e parmetros de ensaio utilizados na sua avaliao............................... 127 Quadro 5.23 Resultados da resistncia fadiga obtidos para as duas misturas betuminosas abertas com BMBAP.......................................................................................... 130 Quadro 5.24 Resultados da resistncia fadiga obtidos para as duas misturas betuminosas rugosas com BMBAP ......................................................................................... 132 Quadro 5.25 Resultados da resistncia fadiga obtidos para a mistura betuminosa rugosa com BMBAP com e sem envelhecimento.................................................................. 137 Listas de Smbolos e Siglas XV R RE ES SI IS ST T N NC CI IA A F FA AD DI IG GA A D DE E M MI IS ST TU UR RA AS S B BE ET TU UM MI IN NO OS SA AS S C CO OM M B BE ET TU UM ME E M MO OD DI IF FI IC CA AD DO O C CO OM M A AL LT TA A P PE ER RC CE EN NT TA AG GE EM M D DE E B BO OR RR RA AC CH HA A L LI IS ST TA AS S D DE E S S M MB BO OL LO OS S E E S SI IG GL LA AS S S S M MB BO OL LO OS S Alfabeto Latino Smbolo Significado aConstante, parmetro caracterstico dos materiais bConstante, parmetro caracterstico dos materiais BLargura do provete CConstante cConstante, parmetro caracterstico dos materiais dConstante, parmetro caracterstico dos materiais DmxMxima dimenso do agregado E2iPerda inicial do mdulo de deformabilidade Mdulo de deformabilidade da mola do modelo de Burgers caracterizador da resposta elstica retardada EM Mdulo de deformabilidade da mola do modelo de Burgers caracterizador da resposta elstica HAltura do proveteKConstante kcFactor de correco krFactor de correco ksFactor de correco LComprimento efectivo do provete LtotComprimento total do provete mx.Mximo mn.Mnimo NNmero de aplicaes de carga NadmNmero admissvel de passagens do eixo padro PCarga uniforme aplicada aquando da passagem de um rodado de um veculo pInclinao da lei de fadiga SmistMdulo de deformabilidade da mistura betuminosa Smist, inicialMdulo de deformabilidade inicial da mistura betuminosa TTemperatura tTempo Listas de Smbolos e Siglas XVI TeTemperatura de ensaio TiABTemperatura de ponto de amolecimento de anel e bola do betume antes de aplicado na mistura VaPercentagem volumtrica de agregados VbPercentagem volumtrica do betume VFBPercentagem de vazios preenchidos com betume VMAVolume de vazios na mistura de agregados VvPercentagem volumtrica de vazios (porosidade) Alfabeto Grego SmboloSignificado Extenso 6Extenso imposta para se obter um milho de ciclos de carregamento btValor mximo da extenso de traco induzida pelo eixo padro iExtenso inicial tExtenso horizontal de traco zExtenso vertical de compresso 0Viscosidade inicial fViscosidade final K Viscosidade do amortecedor do modelo de Burgers caracterizadora da resposta elstica retardada MViscosidade do amortecedor do modelo de Burgers caracterizadora da resposta viscosa Tenso zTenso vertical de compresso Funes matemticas SmboloSignificado exExponencial de x log(x)Logaritmo decimal de x Listas de Smbolos e Siglas XVII S SI IG GL LA AS S SiglaSignificado AASHOAmerican Association of State Highways Officials (ver AASHTO) AASHTOAmerican Association of State Highway and Transportation Officials (anteriormente designada por AASHO) AASHTO TPAmerican Association of State Highway and Transportation Officials Teorical Proceeding AIAsphalt Institute APORBETAssociao Portuguesa de Fabricantes de Misturas Betuminosas ARRB TRAustralian Road Research Board OU ARRB Transport Research ASTMAmerican Society For Testing and Materials AustroadsAssociation of Australian and New Zealand road transport and traffic authorities BASTFederal Highway Research Institute BMBMarca Registada - Betume modificado com borracha (BMB) BMBAPBetume Modificado com Alta Percentagem de Borracha BMBBPBetume Modificado com Baixa Percentagem de Borracha BMBPBetume Modificado com Borracha de Pneus BPRU.S. Bureau of Public Roads, actualmente FHWA CaltransCalifornia Department of Transportation CEComisso Europeia, Comunidade Europeia CEDEXCentro de Estudios y Experimentacin de Obras PblicasCEEComunidade Econmica Europeia CENComit Europeu de Normalizao COST 333European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research COST 334 European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research CRELCircular Regional Exterior de Lisboa CRPCentro Rodovirio Portugus CRRCentre de Recherches Routires DA 3Documento de aplicao 3 DSRRemetro dinmico de corte (Dynamic shear rheometer) DTDepartamento de Transportes EEArea Econmica Europeia ENNorma Europeia; Estrada Nacional EPEstradas de Portugal EUAEstados Unidos da Amrica EVACopolmeros de etileno-acetato de vinilo FHWAFederal Highway Administration FILFeira Internacional de Lisboa Listas de Smbolos e Siglas XVIII ISELInstituto Superior de Engenharia de Lisboa ISTInstituto Superior Tcnico LCPCLaboratoire Central des Ponts et Chausses LNECLaboratrio Nacional de Engenharia Civil LTOALong-Term Oven Aging LVDTLinear Variable Differential Transducer MATTAUniversal Asphalt Tester MBA-BMBAP Mistura betuminosa aberta com betume modificado com alta percentagem de borracha MBD-BMBAPMistura betuminosa densa com betume modificado com alta percentagem de borracha MBR-BMBAPMistura betuminosa rugosa com betume modificado com alta percentagem de borracha MRTFOTRTFOT modificado (ver RTFOT) NATNottingham Asphalt Tester NIRANcleo de Infra-Estruturas Rodovirias e Aeroporturias NP ENNorma Portuguesa baseada na Norma Europeia NRBorracha natural PAVPressure aging vessel PEPolmero de Polietileno PPPolmero de Polipropileno RTFOTRolling Thin Film Oven Test SBCopolmeros estireno-butadieno SBRBorracha sinttica SBSCopolmeros de estireno-butadieno-estireno SHRPStrategic Highway Research Program SSDSaturated Surface Dry TFOThin film oven TRBTransportation Research Board VCAmostra recolhida de campo VLAmostra fabricada em laboratrio WASHOWestern Association of State Highway Officials WSDOTWashington State Department of Transportation Captulo 1 1 1 1I IN NT TR RO OD DU U O O 1 1. .1 1E EN NQ QU UA AD DR RA AM ME EN NT TO O D DO O T TE EM MA A OtratamentoedeposiofinaldospneususadosumproblemaambientalcomqueoEstado Portugussetemconfrontadonosltimosanos.Nestesentido,foirealizado,em1995,um primeiroestudo,denominadoProjectoparaoPlanoNacionaldeResduos,queconsistianuma anlise da situao dos pneus usados, em Portugal. Segundo o Projecto para o Plano Nacional de Resduos, estimou-se que, em 1995, foram gerados no nosso pas cerca de 2 milhes de pneus em fim de vida, ou seja, cerca de 20 mil toneladas de pneususados,sendoqueestaquantidadesereferiatantoapneusdeveculosligeiros,comode veculos pesados e de veculos agrcolas. Apesar da quantidade gerada de pneus em fim de vida e dos problemas ambientais associados suainadequadadeposio,apenasem2001foiestabelecidaumapolticaintegradadegesto destetipoderesduo,porintermdiodeumenquadramentolegaldareciclagemdepneus, estabelecidopeloMinistriodoAmbienteedoOrdenamentodoTerritrio,segundoo Decreto-Lei n. 111/2001 de 6 de Abril, que rege os princpios e as normas aplicveis gesto de pneusnovosepneususados,atravsdaco-responsabilizaodosdiferentesintervenientesno ciclo de vida dos pneus. ODecreto-Lei n. 111/2001 de 6 de Abrilestabeleceaindaqueaopodecombustosem recuperaoenergticadeixadeserpermitida,assimcomoadeposiodospneususadosem aterro,emconformidadecomodispostonoartigo5. da Directiva 1999/31/CE,doConselho Europeu,de26 de Abril,objectivoqueviriaapenasaseralcanadoem2006,comzeropneus depositados em aterros. Em2007,ecomumparqueautomvelmaisvasto,segundodadosdaSociedadedeGestode Pneus (Valorpneu), constituda no seguimento do Decreto-Lei n. 111/2001, com o objectivo de organizar e gerir o sistema de recolha e destino final de pneus usados, foram recolhidos cerca de 9 milhes de pneus, o equivalente a cerca de 90 mil toneladas de pneus usados. Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 2 Comumcrescenteaumentodospneusgeradosporfimdevida,emPortugalexistem essencialmente trs destinos para este resduo (Valorpneu, 2007): reciclagem(48,0 %)Reaproveitamentodosconstituintesdeumpneu(essencialmente borrachaemalhametlica)paraaproduodeoutrosprodutos,casodobetume modificado com alta percentagem de borracha; recauchutagem (26,3 %) Reutilizao dos pneus aps tratamento superficial da camada de desgaste do pneu; valorizaoenergtica(24,6 %)Queimadospneuscomaproveitamentodaenergia trmicaprovenientedoprocesso,podendotambmserutilizadanaproduodeenergia elctrica. EmPortugal,comoresultadodaaplicaodoDecreto-Lei n. 111/2001edeumaecotaxa (Ecovalor)pagapeloconsumidordepneusnovos,equesedestinaafinanciaroscustos associadosrecolhaetratamentopelasempresasdereciclagem,soactualmentereciclados cercade4 milhesdepneusporano,estandoentreasprincipaisempresasqueassegurameste processoaValorpneueaRecipneu,comumacapacidadetotalde22 mil ton/anocada,ea Lusobor e a Transbor, com uma capacidade total de 10 mil ton/ano cada. Aborrachaprovenientedareciclagemdepneususadostemcomoprincipaisaplicaes:o enchimentodoscamposdefutebolcomrelvasinttica;pavimentosrodovirios;pisos anti-aglomerantesparapicadeiros,arenasepistasdehipismo;ematria-primaparaaindstria transformadora de polmeros. Dentrodestecontexto,areciclagemdepneususadosparaposteriorutilizaoempavimentos rodovirios umassuntoque tem despertadograndeinteresse emPortugal. Essa utilizao tem sidorealizadafundamentalmenteatravsdaadiodeborrachaprovenientedareciclagemde pneusabetumesconvencionais,posteriormenteutilizadosnofabricodemisturasbetuminosas para aplicao em camadas de pavimentos novos e de obras de reabilitao, quer de pavimentos flexveis, quer de pavimentos rgidos. EmPortugal,aadiodeborrachadepneusrecicladosabetumesconvencionaistemsido essencialmente realizada por via hmida, e utilizada para o fabrico de betumes modificados com Captulo 1 3 altapercentagemdeborracha.Maisrecentementetmaparecidobetumesmodificadoscom borracha fabricados com diferentes percentagens de borracha. Actualmente, a adio de borracha porviahmidasubdivide-senofabricodetrstiposdeprodutos,emfunodaquantidadede borracha utilizada na modificao do betume: betume modificado com alta percentagem de borracha (BMBAP); betume modificado com mdia percentagem de borracha (BMBMP); betume modificado com baixa percentagem de borracha (BMBBP). Estasnovasdesignaesparaobetumemodificadocomborrachadepneus(BMBP),surgiram, comanecessidadededistinguirosbetumesmodificadoscompercentagensinferioresde borracha,recentementeintroduzidosnomercado,relativamenteaosbetumesmodificadoscom alta percentagem de borracha, uma vez que estes trs tipos de betumes modificados apresentam propriedades bastante distintas. Convm,portanto,referirqueopresentetrabalhoserefereespecificamentesmisturas betuminosas com BMBAP, as quais apresentam, actualmente, maior aplicao em Portugal, com diversasaplicaesnaRedeRodoviriaNacionalprincipalesecundria.Aprimeiraaplicao foiefectuadaem 1999,nareabilitaodedoistroospertencentesEN 104eEN 105,numa extensototaldecercade 30 km.Desdeento,comocrescenteinteresseporestetipode misturasbetuminosas,ototaldeobrasrealizadasat2007,resultouemcercade305 kmde estradas pavimentadas com a valorizao ambientalmente correcta de cerca de 945 000 pneus. OcrescenteinteressepelautilizaodemisturasbetuminosascomBMBAP,foirecentemente reiteradopelapublicaododespachoconjunton.4015/2007dosMinistriosdoAmbientee das Obras Pblicas, sobre a utilizao de betumes modificados com borracha de pneus reciclados eminfra-estruturasrodovirias,noqualseconsideranecessriolimitarautilizaoderecursos naturaise,porconseguinte,promoveraintroduodeconstituintesrecicladosnaproduode novos materiais. Este interesse, deve-se ao facto da adio de borracha a betumes convencionais, permitir no s melhoraraspropriedadesdobetumee,consequentemente,dasmisturasbetuminosas,comoao reaproveitarospneususadosparafabricodemisturasbetuminosassecontribuiindirectamente Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 4 para a preservao do meio ambiente. Essa contribuio advm do facto dos pneus deixarem de serqueimadosoudepositadosemlixeirasouaterros,permitindoainda,emalgunscasos,em virtude da melhoria das propriedades das misturas betuminosas uma diminuio da espessura das camadas betuminosas, reduzindo desta forma a utilizao de outros recursos naturais. AutilizaodeBMBAPnofabricodemisturasbetuminosastem-seapresentado,nosltimos anos,comoumasoluoviveleparticularmenteinteressanteparaaresoluodediversos problemasnospavimentos,umavezquecontribui,deumaformageral,paraumaumentoda resistnciafadiga,diminuiodasusceptibilidadetemperatura,diminuiodasensibilidade ao envelhecimento e diminuio do rudo, relativamente s misturas betuminosas convencionais. Destas melhorias resulta uma diminuio dos custos de conservao ao longo da vida de servio dospavimentos,combenefcioseconmicos,quetendoemcontaaescassezderecursospara investimentoseminfra-estruturasrodoviriasqueseverificanonossopas,tornaatecnologia envolvida na pavimentao um item importante que merece a devida ateno. Neste sentido, a escolha do tema para o trabalho, pretendeu abordar um tema actual e de grande interessecientfico,nosemtermosdeEngenhariaCivilmastambmAmbiental,atporse considerarquecabeatodosossectoresdasociedadePortuguesadarumfortecontributono sentidodeumamaiorreciclagemdemateriaisesuavalorizaonofabricodenovosmateriais, com vista a um desenvolvimento sustentvel. Aintroduodenovosmateriaisnaconstruocivile,nestecasoparticular,napavimentao, carecedeestudosaprofundadossobreoseucomportamento,parasedeterminarasmelhores condies de utilizao. Tambm, a Comisso Europeia atravs do Comit Europeu de Normalizao (CEN) tem vindo a criar normas para harmonizar os processos de fabrico e os ensaios para avaliao do desempenho de misturas betuminosas para garantia da qualidade, segurana e proteco do ambiente. Captulo 1 5 Poroutro lado, a ComissoEuropeia estabeleceu o prazo limite de 2008 para a obrigatoriedade damarcaoCEdasmisturasbetuminosasparalivrecirculaodestesmateriaisnarea Econmica Europeia (EEA), pelo que cada fabricante destas misturas deve ter o seu processo de fabricoaprovadodeacordocomumconjuntodeensaiostipo.A marcaoCEuma consequnciadaDirectivaProdutosdaConstruo89/106/CEE,eemboranoimpliqueuma garantiadecertificaooudaqualidadedoproduto,paraoprodutorsignificaumpassaporte para a livre circulao das suas misturas betuminosas dentro da rea Econmica Europeia. 1 1. .2 2O OB BJ JE EC CT TI IV VO OS S E E M ME ET TO OD DO OL LO OG GI IA A Opresentetrabalhopretendeabordarumtemaactualreferenteaoestudoactualizadoe aprofundadodocomportamentofadigadasmisturasbetuminosasqueincorporamnasua composiobetumemodificadocomaltapercentagemdeborracha(BMBAP),sendo complementadopeloestudodascondiesdeaplicaodanormaeuropeiaEN 12697-24:2004 para caracterizao da resistncia fadiga de misturas betuminosas. Assim, os objectivos deste trabalho so: melhorcompreensodocomportamentodasmisturasbetuminosascomBMBAP fadiga,emparticularasdostiposrugosaseabertas,quetmvindoaseraplicadasem Portugal; contribuioparaoestudodainflunciadafrequnciadeaplicaodacargaedo envelhecimento na resistncia fadiga das misturas betuminosas com BMBAP, avaliada segundo a norma europeia EN 12697-24:2004; anlisecrticadanormaeuropeiaEN 12697-24:2004,quandocomparadacomanorma americana AASHTO TP8-94,bemcomoasuaaplicao,requeridapelanorma EN 13108-20:2006 em termos das condies e tcnicas de ensaio. Apardotrabalhodesenvolvido,pretendeu-seaindaavaliararesistnciafadigademisturas betuminosasrugosascomBMBAP,porformaaobterem-sevaloresaseremconsideradosna realizao do Documento de Aplicao do LNEC para este tipo de misturas. Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 6 Quanto metodologia adoptada, este trabalho est desenvolvido em duas fases: aprimeirafase,consistenumapesquisabibliogrfica,comoobjectivodesintetizare analisar os conhecimentos actuais, por um lado, sobre o fenmeno de comportamento das misturas betuminosas fadiga, com incidncia nas misturas betuminosas com BMBAP e, poroutrolado,acercadosmtodosdeensaiofadigasegundoasnovasnormas europeias,queserviramdebaseparaodesenvolvimentosubsequentedaparte experimental do trabalho; asegundafase,desenvolvidaemlaboratrio,econsistenacaracterizaodo comportamento de misturas betuminosas com BMBAP fadiga em ensaios de flexo em quatro pontos. Para aavaliao do comportamento fadigaforam utilizadas quatromisturas betuminosascom BMBAP,habitualmenteutilizadasanveldacamadadedesgastedospavimentos. Nesta avaliaoprocedeu-seaoestudodocomportamentofadigaemmisturasbetuminosas novas(noenvelhecidas)eenvelhecidasemlaboratrio,comoobjectivodecompreendera influncia do envelhecimento. 1 1. .3 3E ES ST TR RU UT TU UR RA A D DO O T TR RA AB BA AL LH HO O Este trabalho est organizado nos seguintes captulos: Captulo 1:Introduo.Fazaabordagemeenquadramentodotemadesenvolvidoneste trabalho,referindo-seaimportnciadomesmonopanoramanacional.Nestecaptuloso igualmenteapresentadososobjectivosdotrabalhoassimcomoametodologiaeestrutura adoptadas. Captulo 2:Resistnciafadigademisturasbetuminosas.efectuadaumarevisodos mecanismosdedegradaodemisturasbetuminosas,emparticular,porfadiga,ecomanlise dos principais factores que a afectam. Captulo 1 7 Captulo 3: Misturas betuminosas com betume modificado com alta percentagem de borracha. Comea-sepordescreverdeformagenricaosprocessosdeadiodeborrachaabetumes convencionais.Segue-separaocasoparticulardoBMBAP,apresentandoumadescrio genrica dos seus materiais constituintes e mtodo de produo. Por fim, analisam-se as misturas betuminosas comBMBAP e estuda-seo desempenho destas misturas, incidindo em especial na resistncia fadiga e influncia do envelhecimento no comportamento fadiga. Captulo 4:Ensaiosdelaboratrioparacaracterizaodaresistnciafadiga.Inicialmente, efectuada uma descrio sucinta dos ensaios descritos na nova norma EN 12697-24:2004 para as misturasbetuminosas,seguindo-seumaanlisecomparativaecrticadanorma EN 12697-24:2004 relativamente norma AASHTO TP8-94. Captulo 5:EstudoexperimentaldasmisturasbetuminosascomBMBAP.Comea-sepor descrever os materiais utilizados no mbito deste trabalho, assim como a metodologia empregue nosensaiosrealizadosnosestudosdocomportamentofadigaeestudodainflunciado envelhecimentonocomportamentofadiga.Finaliza-secomaapresentaoediscussodos resultados obtidos nos ensaios realizados. Captulo 6:Conclusesetrabalhosfuturos.Soapresentadasasprincipaisconcluses resultantesdoestudorealizado,nomeadamentenaavaliaodocomportamentofadigae influncia do envelhecimento no comportamento fadiga. Para finalizar apresentam-se possveis linhas de investigao que se sugerem para futuros trabalhos. Captulo 2 9 2 2R RE ES SI IS ST T N NC CI IA A F FA AD DI IG GA A D DE E M MI IS ST TU UR RA AS S B BE ET TU UM MI IN NO OS SA AS S 2 2. .1 1M ME EC CA AN NI IS SM MO OS S D DE E D DE EG GR RA AD DA A O O Asmisturasbetuminosassotradicionalmenteutilizadasnaconstruoereabilitaode pavimentosflexveisesemi-rgidos.Nospavimentosflexveis,asmisturasbetuminosasso utilizadasnaexecuodascamadasdedesgasteederegularizaoasquaisassentamsobre camadasgranularesconhecidascomocamadadebaseedesub-base.Nocasodospavimentos semi-rgidos,asmisturasbetuminosassoutilizadasnaexecuodecamadasdedesgasteede regularizaoasquaisassentamsobreumabasedebetodecimento.Emambososcasos,a camada de desgaste constitui a superfcie de rolamento, tendo como funo degradar e transmitir as cargas do trfego camada inferior e evitar a infiltrao de guas que sobre ela circulem. Nos pavimentos semi-rgidos, a funo dedegradaodas cargasassume umpapel secundrio, uma vezqueessepapelcabeprincipalmentecamadadebaseembetodecimento.Acamadade regularizao tem como a designao indica a funo de servir de regularizao para a execuo dacamadadedesgastee,simultaneamente,dedegradarascargasdotrfegotransmitidasda camada de desgaste camada de base. Contudo,independentementedotipoeestruturadopavimento,ascaractersticasdo comportamentomecnicodasmisturasbetuminosas,assimcomodosrestantesmateriaisque constituemopavimentoerespectivafundao,voevoluindoaolongodotempo.O comportamentoestruturaldopavimentoaltera-se,sendomuitososfactoresqueafectame alteram esse comportamento, dos quais se destacam o nmero e magnitude das cargas aplicadas pelo trfego, propriedades dos materiais que constituem o pavimento, bem como a sua evoluo aolongodotempo,tipodesolodefundao,condiesdedrenagemecondiesclimticas (pluviosidade, variao de temperatura diria ou sazonal). Todavia,dosdiversosfactoresenumerados,aaplicaodecargasporpartedotrfego reconhecidacomosendoofactorquemaiscontribuiparaadegradaodospavimentos,umas dasrazespelaqualexistemtaxasdeutilizaodasinfra-estruturasrodoviriasentreos diferentespaseseuropeus,esobreoqualmaiornmerodeestudossetemrealizadocomo intuitodeanalisarecaracterizarocomportamentodasmisturasbetuminosas,emparticular fadiga. Para avaliao do comportamento das misturas betuminosas fadiga, relatam-se entre os Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 10 inmerosestudos,osrealizadosnombitodoprogramadeinvestigao(SHRPStrategic HighwayResearchProgram)peloInstitutodeEstudosdeTransportesdaUniversidadeda Califrnia,peloTransportationResearchBoard(TRB)epelaFederalHighway Administration (FHWA). Essaimportnciapatenteanveldeprojecto,ondeosmtodosdedimensionamento habitualmenteutilizadosprocuramexplicaroupreveradegradaoexistentenumaestruturade pavimento, quando esta se encontra sujeita a determinadas condies climticas e repetio de cargasaplicadaspelotrfego.Comotal,aquandododimensionamentodeumpavimento,no soconsideradastodasasdegradaesdevidasaosmaisdiversosfactoresqueafectamo pavimento,dadaacomplexidadedoclculoqueissoenvolve,massomenteasmais condicionantes.Odimensionamentodepavimentosflexveis,poressemotivo,usualassentar em dois mecanismos de degradao, vulgarmente conhecidos como critrios de runa: fendilhamento por fadiga das camadas betuminosas; deformao permanente no solo de fundao. Estes dois mecanismos de degradao so consequncia da aplicao repetida de cargas impostas pelo trfego.Deumaformageral,aquandodapassagemdeumrodadosobreumpavimento,esteaplicaem cada ponto da face superior da camada de desgaste, uma carga vertical de compresso inferior tenso de rotura, carga essa que se vai degradando ao longo da estrutura do pavimento. Desta condio resulta,por um lado, a ocorrncia detenses e extenses horizontais detraco dedeterminadamagnitude,nafaceinferiordascamadasbetuminosas,quevogerar fendilhamentoporfadiga,eporoutro,naocorrnciadetenseseextensesverticaisde compressonafacesuperiordosolodefundao,conduzindoocorrnciadedeformao permanente. Esta situao demonstrada na Figura 2.1, onde se pode observar uma ilustrao da resposta de umpavimento resultante da aplicao deuma cargauniformeP aquando da passagem de um rodado de um veculo. Captulo 2 11 Figura 2.1 Resposta de um pavimento flexvel quando sujeito a uma carga uniforme P (Owende et al., 2001) Comotal,deacordocomoestudoCOST333(1999),noprimeiromecanismodedegradao referido(fendilhamentoporfadigadascamadasbetuminosas)tidaemcontaalimitaodas tensesdetracoouextenseshorizontaisverificadasaonveldafaceinferiordascamadas betuminosas,funodonmeroesperadodeaplicaesdecargaduranteoperododevidatil da obra, com o objectivo de minimizar ou mitigar o aparecimento de fendas.Osegundomecanismodedegradaoreferido(deformaopermanenteiniciadanosolode fundao),porsuavez,tememcontaalimitaodastensesdecompressoouextenses verticais verificadas ao nvel da face superior do solo de fundao, sendo de igual modo funo do nmero esperado de aplicaes de carga durante o perodo de vida til da obra. A relao entre as tenses ou extenses e o nmero de aplicaes de carga geralmente baseado emensaiosdelaboratrio,podendoestasereventualmentecalibradaatravsdautilizaode informao sobre o desempenho do pavimento em obra. Todavia,acorrectaestimaodavidafadigadeumamisturabetuminosa,traduzidapelo nmero de aplicaes de carga at se atingir a rotura, nem sempre uma tarefa fcil, em virtude da complexidade intrnseca da natureza do fenmeno da fadiga, consequncia da diversidade de materiais utilizados, trfego, aces climticas entre outros factores. Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 12 Contudo,deummodogeral,osmodelosdedegradaoutilizadosempavimentosflexveis, modelosdedeformaopermanenteemodelosdefendilhamentoporfadiga,soexpressospor relaes do tipo: bN a = (2.1) ou dN c = , (2.2) emqueNonmerodeaplicaesdecarga;a,b,cedsoparmetroscaractersticosdos materiais; o valor daextenso vertical de compresso no face superiordo solo de fundao, nocasodocritriodasdeformaespermanentes,ouovalordaextensohorizontaldetraco nafaceinferiordascamadasbetuminosas,nocasodocritriodofendilhamentoporfadiga; sendo , o valor da tenso vertical de compresso na face superior do solo de fundao, no caso docritriodasdeformaespermanentes,edatensohorizontaldetraconafaceinferiordas camadas betuminosas, no caso do critrio do fendilhamento por fadiga. Estesmodelosforamestabelecidoscombasenaobservaodetrechosexperimentais.Diversas instituies,comoaShell,aUniversityofNottingham,oLaboratoireCentraldesPontset Chausses(LCPC),oCentredeRecherchesRoutires(CRR)eoAsphaltInstitute(AI), apresentamvaloresparaasconstantesaeb,conformereferidoporPinelo(1991), Antunes (1993)eCorreia(1994).NoQuadro2.1soapresentadosalgunsdosmodelosde degradao por fadiga propostos por diversas instituies. Captulo 2 13Quadro 2.1 Modelos de degradao por fadiga propostos por diversas instituies (COST 333, 1999 e Neves, 2001) InstituioEquao de fadiga proposta Asphalt Institute 854 , 0mist291 , 3 3S C 10 14 , 1 N = (2.3); |||

\|+ = 69 , 0V VV84 , 4 ) C log(v bb(2.4) onde: mistS mdulo de deformabilidade da misturabV - percentagem volumtrica de betume vV- percentagem volumtrica de vazios C constante - extenso de traco N nmero de aplicaes de carga Nottingham 8 , 15 ) T log( 63 , 8 ) V log( 13 , 5N log K ) T log( 2 , 24 ) V log( 39 , 14) log(iAB biAB bt + + = (2.5) onde: iABT temperaturadepontodeamolecimentodeaneleboladobetumeantesdeaplicadona mistura K 46,06 (condio de runa) K 46,82 (condio crtica) Shell 2 , 0 36 , 0mist bN S ) 08 , 1 V 856 , 0 ( + = (2.6) LCPC-SETRA b65 , 0mistmist6 s c r10N) T ( S) C 10 ( S) Hz 25 , C 10 ( k k k ) Fr , T ( ||

\||||

\| = (2.7) onde: s c rk , k , k factores de correco SHRP A-404 72 , 2i 2624 , 3 ) VFB 077 , 0 (E e 3591 , 0 N =(2.8); v bbV VV 100VFB+=(2.9) onde: i 2E perda inicial do mdulo de deformabilidade VFB percentagem de vazios preenchidos com betume AASHTO Camadas com espessura igual ou superior a 10 cm: ||

\| ||

\| = 3mist610Slog 854 , 010log 291 , 3 947 , 15 %) 10 ( N log(2.10) ||

\| ||

\| = 3mist610Slog 854 , 010log 291 , 3 086 , 16 %) 45 ( N log(2.11) Camadas com espessura inferior a 10 cm: ||

\| ||

\| = 3mist610Slog 854 , 010log 291 , 3 87 , 15 %) 10 ( N log(2.12) ||

\||||

\| = 3mist610Slog 854 , 010log 291 , 3 988 , 15 %) 45 ( N log(2.13) JAE bt adma N =(2.14) onde: admN nmero admissvel de passagens do eixo padro bt valor mximo da extenso de traco induzida pelo eixo padro b , a constantes que dependem da composio e propriedades da mistura que se admitem ter os valores de: 310 5 , 3 a 3 a =;2 , 0 b =Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 14 Estetipodemodelosparadeterminaodavidafadiga,assumequeasfendasgeradaspor fadigasurgemnafaceinferiordascamadasbetuminosasepropagam-severticalmenteat superfcie do pavimento, sobre a influncia do estado de tenso produzido pelo contacto entre o pneu e o pavimento. Contudo, recentemente tem-se verificado que o aparecimento de fendas nem sempre tem origem nafaceinferiordascamadasbetuminosas,sendopossvelqueempavimentoscomelevada espessuraestasapresentemasuagnesenasuperfciedopavimento,progredindodasuperfcie paraa face inferior das camadas betuminosas sem nuncaatingir a sua base.Este tipo de fendas estassociado,entreoutrosfactores,elevadaagressividadedotrfegopesado (Freitas et al., 2002eFreitasetal., 2004),quepromoveumaumentodasextensesde compressonasuperfcieondeseencontraorodadoedasextensesdetraconassuperfcies adjacentes, como j foi ilustrado na Figura 2.1, que pode eventualmente levar ao fendilhamento por fadiga com origem na superfcie do pavimento. Todavia,estefenmenonoapresenta,namaioriadoscasosamesmaimportnciaqueo fendilhamento por fadiga com origem na face inferior das camadas betuminosas, uma vez que a propagao de fendas com origem na superfcie, de cima para baixo, muito inferior ao ritmo de propagao de fendas que se propagam de baixo para cima (Castell et al., 2000). 2 2. .2 2F FE EN ND DI IL LH HA AM ME EN NT TO O P PO OR R F FA AD DI IG GA A Ofenmenodefendilhamentonospavimentosflexveis,semelhanadasdeformaes permanentes, uma das degradaes mais correntes nos pavimentos, reduzindo a sua vida til. Estefenmenopodeapresentardiferentesorigens,quepoderosurgirindividualmenteouem combinao, desde: fendilhamento devido a variaes trmicas; afendilhamentoresultantedapropagaodefendasdecamadasinferiores,tambm conhecido por reflexo de fendas; e fendilhamento por fadiga. Captulo 2 15Noqueserefereaofendilhamentoporvariaotrmica,estesucedeessencialmentequandoo pavimento se encontra em ambientes com temperaturas muito baixas, ou em que existem grandes variaesdiriasdatemperatura,oquegeranopavimentoodesenvolvimentodetensesnas diversascamadasqueocompem.Estastensespodemexcederaresistnciadamistura betuminosatraco,resultandoinicialmentenaformaodemicrofendas.Acadaciclode variaotrmicaocorre,simultaneamente,ageraodemaismicrofendas,assimcomoa propagaodasmicrofendasexistentesparamacrofendas.Esteciclodegeraoepropagao de fendas, combinado com a aplicao repetida de cargas originadas pela passagem de veculos, agrava ainda mais este fenmeno. Ofendilhamentoporreflexodefendas,umfenmenoqueocorreempavimentosqueforam alvodebeneficiaodascamadasbetuminosas.Asfendasocorremnafaceinferiordacamada colocada,queseencontraemcontactocomasfendasexistentesnopavimentoreabilitado.A ocorrncia destas fendas, deve-se ao facto das duas superfcies apresentarem um comportamento distintoquandosujeitasacargasimpostaspelapassagemdeveculos,ouquandoexistem variaestrmicasassinalveis,resultandonapropagaodasfendasexistentesnopavimento reabilitado face da camada contgua, uma vez que na face em torno dafenda existente no h propagaodeesforos,ouessapropagaomuitopequena,resultandoemvaloresdetenso muito elevados na face em torno desta. O fendilhamento por fadiga, entre os diferentes tipos de fendilhamento referidos anteriormente o mais comum nos pavimentosflexveis. Este tipo de fendilhamento foi inicialmente verificado em 1955 num estudo realizado pela WASHO (HRB, 1955), onde referida a existncia de rotura por fadiga das camadas betuminosas, consequncia da aplicao cclica de cargas, mas sem que isso implique a rotura das camadas subjacentes. Num outro estudo realizado pela AASHO em 1962 (HRB, 1962), refere que o trfego pesado o maior responsvel pela deteriorao verificada nos pavimentos, resultante da fadiga nas camadas betuminosas. Desdeento,afadigatemsidodefinidacomoofenmenoqueconduzaofendilhamento, consequncia da aplicao repetida de cargas impostas pelo trfego, ao longo do perodo de vida tildaobra.Aaplicaodecargasinduztenseseextensesdetraconafaceinferiordas Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 16 camadasbetuminosas,resultandonodesenvolvimentodefendasnafaceinferiordascamadas betuminosasepropagaodasmesmasatsuperfcie,levandoestasuperfcie,numestado limite, degradao por fendilhamento (Neves, 2001). Amanifestaoeposteriorpropagaodasfendasresultantesdaaplicaodecarregamentos impostos pelos rodados dos veculos tem sido alvo de diversos estudos e pesquisas com o intuito dedescreverestefenmeno,daquisedestacamastrsfasesqueconstituemoprocessode evoluo das fendas (COST 333, 1999): 1.fase de iniciao e progresso generalizada de dano, que conduz ao desenvolvimento de micro fendas da espessura de um cabelo; 2.fasedepropagaoestveldasfendas,naqualsedesenvolvem,apartirdealgumasdas micro fendas existentes, fendas denominadas por macro fendas; 3.fasedepropagaoinstveldasfendas,naqualasmacrofendasexistentescontinuama evoluirresultando,numlimite,emdesintegraoerotura,comconsequenterunadas camadas betuminosas. Existe,aolongodaespessuradascamadasbetuminosas,umadistribuiodastenses transmitidaspelascargasimpostaspelosveculos,havendomedidaqueasmicrofendasvo surgindonafaceinferiordascamadasbetuminosas,esevopropagandoamacrofendas,uma crescentereduodareaparadistribuiodastenses,oqueoriginaumamodificaodo estado de tenso e de deformao da estrutura do pavimento. Estasituaocontribuiparaqueadistribuiodastensespasseaserrealizadanopela totalidade da rea, mas por seces individuais, seccionadas pelo aparecimento das fendas, com consequente diminuio da rigidez das camadas betuminosas. Simultaneamente,amanifestaodefendassuperfciedacamadadedesgaste,agravaainda maisestefenmeno,namedidaemquepermiteaentradadaguaresultantedapluviosidadee detritos existentes na superfcie da camada de desgaste na estrutura do pavimento, promovendo a sua degradao. Captulo 2 17Estasituao,associadapassagemdeveculossobreasfendas,contribuiparaumaumento significativo da presso neutra, fazendo com que a gua presente nas fendas destrua as ligaes dasmisturasbetuminosase,simultaneamente,sejaexpulsadafendalevandoconsigofinosdos materiais das camadas subjacentes. Este fenmeno habitualmente designado por bombeamento definos,queoriginaumaaindamaiordegradaonascamadasbetuminosas,podendo,em ltima instncia, afectar as camadas granulares. Estaconjunturaconduzaqueofenmenodofendilhamentoporfadigasejaumprocessode degradao galopante, uma vez que se verifica uma constante acelerao do processo medida que este evolui. Estefenmeno,quandovisvelnasuperfciedospavimentos,materializa-sesobreaformade peledecrocodilo,queconsistenumasriedefendasinterligadas.Estasfendasiniciam-sena basedascamadasbetuminosasnolocaldemaiortensodetracoevoprogredindoat superfcieatravsdeumaoumaisfendaslongitudinaisoutransversais.Finalmente,asfendas vo-se interligando e formando blocos angulosos que se apresentam superfcie como uma pele decrocodilo(Brancoetal., 2006).NaFigura2.2soilustradasasdiversasfasesdo fendilhamento por fadiga usuais nos pavimentos flexveis. Figura 2.2 Diversas fases do fendilhamento por fadiga (Epps, 2006) Contudo, no possvel falar do fendilhamento por fadiga sem abordar um fenmeno que se lhe encontraassociadoequeconsistenarecuperaomecnica(healing,naterminologia anglo-saxnica)duranteosperodosderepousoentreaplicaesdecarga.Oprocessode Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 18 recuperaoalgocomplexo,sendoafectadopelamagnitudedodanoanterioraoperodode repouso e, simultaneamente, pelo dano existente no material para recuperar. Desta recuperao resulta, por um lado, um ganho parcial do mdulo de deformabilidade e, por outro, um aumento da vida fadiga das misturas betuminosas, como se apresenta na Figura 2.3. Duranteesteprocesso,eespecialmenteduranteoperododepropagaodasmicrofendas,o efeitoderecuperaoinfluenciafortementeavidafadigadeumamisturabetuminosa (Si et al., 2002),umavezquefendasquesejamvisveisaolhon,ditasmacrofendas,nose fecham a no ser que sejam aplicadas foras externas de compresso nas faces da fenda. Figura 2.3 Resultado de um ensaio de fadiga com e sem aplicao de perodos de repouso (Daniel & Kim, 2001) Oestudodainflunciaeimportnciadarecuperaomecnicanavidafadigadasmisturas betuminosas tem vindo, ao longo dos anos, a ganhar maior relevo, tendo sido realizados diversos estudos,queremlaboratrio,queremobra,queverificaramaumentosconsiderveisda resistnciaduranteosperodosderepouso(Kim,1988,Kim&Little,1989,Kim et al., 1990, Kim et al., 1994,Littleetal., 1997,Si,2001,Kim, et al., 2002,Kim et al., 2003,Booil& Reynaldo, 2006 e Carpenter & Shen, 2006). Captulo 2 19Outros estudos foram realizados, nos quais se verificou que o efeito de recuperao depende em grandepartedaspropriedadesdobetume(Sietal., 2002),apresentandootipodeagregadoum papel secundrio (Little et al., 2001). Outrofactorqueafectaarecuperaodasmisturas,atemperatura,verificando-sequepara temperaturas mais elevadas a recuperao maior, como comprovado por Bonnaure et al. (1982) e Daniel & Kim (2001). 2 2. .3 3C CO OM MP PO OR RT TA AM ME EN NT TO O R RE EO OL L G GI IC CO O Previamenteabordagemdosfactoresqueafectamofendilhamentoporfadigademisturas betuminosas,considera-seimportanteumabreverefernciaaocomportamentoreolgicodas mesmas, como forma de enquadramento de alguns dos temas posteriormente abordados. Ocomportamentoreolgicodasmisturasbetuminosasfortementeinfluenciadopelapresena debetumenasuacomposio,queconferesmesmasumcomportamentodependenteda durao do tempo de aplicao da carga e da temperatura., tal como ilustrado na Figura 2.4. Figura 2.4 Caracterizao do mdulo de deformabilidade da mistura betuminosa funo do tempo de aplicao da carga e da temperatura (Neves, 2005) Tempo de aplicao da carga Assimptota do comportamento viscoso Assimptota do comportamento elstico T1 T2 T3 Vrias temperaturas: T1 > T2 > T3Smist ElsticoVisco-elsticoViscoso Temperatura: Alta viscoso Intermdia visco-elstico Baixa elstico Comportamento reolgico Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 20 Da anlise da Figura 2.4 verifica-se que as misturas betuminosas apresentam um comportamento predominantemente elstico quando se aplicam cargas de curta durao (velocidades elevadas) e paratemperaturasbaixas,passandoaapresentarumcomportamentovisco-elsticoaviscoso medida que aumenta a durao do tempo de aplicao da carga e da temperatura. Verifica-se que as misturas betuminosas quando exibem um comportamento elstico apresentam um mdulo de deformabilidade superior, sendo por esse motivo habitual a utilizao de temperaturas na ordem dos20 Cquandosepretendeavaliarocomportamentofadigadasmisturasbetuminosas (Capito, 2003). Paradescreverocomportamentovisco-elsticodasmisturasbetuminosas,tmsido desenvolvidosdiversosmodelos,taiscomoomodelodeKelvin,deMaxwell,deBurgers,de Huet & Sayegh, entre outros (COST 333, 1999). Na Figura 2.5 ilustrado o esquema do modelo deBurgers,assimcomoasuarespostaquandosolicitadoporumcarregamentoatenso constante durante um determinado perodo de tempo.

Figura 2.5 Representao esquemtica do modelo de Burgers e resposta quando solicitado por uma carregamento com tenso constante O modelo de Burgers consiste na associao em srie dos modelos de Kelvin e de Maxwell, e umdosmodelosmaisutilizadospararelacionarastensescomasextensesdasmisturas M EM K EK Resposta elstica Resposta viscosa Resposta elstica retardada Captulo 2 21betuminosas, dado ser relativamente simples e representar de forma adequada o comportamento das misturas betuminosas. Este modelo pode ser traduzido pela seguinte equao: ((((

++= |||

\| tEK M MKKe 1EtE(2.15) Deacordoaequao2.15,aextensototalassimcompostaportrsparcelas,umaextenso elstica(caracterizadaporEM),umaextensoviscosa(caracterizadapor M )eumaextenso elstica retardada (caracterizada por EK e K ). 2 2. .4 4F FA AC CT TO OR RE ES S Q QU UE E A AF FE EC CT TA AM M A A R RE ES SI IS ST T N NC CI IA A F FA AD DI IG GA A Apsabordar o fenmeno do fendilhamento por fadiga nasmisturas betuminosas e descrevero comportamentoreolgicodasmesmas,considera-seimportantenestepontoefectuaruma descriosucintadosfactoresmaisrelevantesqueafectamaquelefenmeno,algunsdelesj mencionadosanteriormente,comopassveisdeafectararecuperaomecnicadasmisturase, consequentemente, da respectiva vida fadiga. De acordo com Tangella et al. (1990), os factores que afectam a rigidez e o comportamento das misturas betuminosas fadiga so indicados no Quadro 2.2. Quadro 2.2 Factores com influncia no comportamento das misturas betuminosas fadiga (Tangella et al., 1990) Mistura BetuminosaCarregamentoAmbientais Tipo de misturaMagnitude do carregamentoTemperatura Tipo e quantidade de betumeTipo de carregamentoPluviosidade Temperatura de fabricoFrequncia Temperatura de compactao Histria de tenses: carregamento simples ou composto Mtodo de compactao Forma de carregamento: triangular, quadrado, etc. Porosidade; Tipo, forma, granulometria e textura do agregado Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 22 Nospontosseguintesfaz-seumabreveanlisedainflunciadosseguintesfactoresno comportamento das misturas betuminosas fadiga: trfego; composio da mistura (betume e agregados); processos construtivos (compactao); ambientais (temperatura e envelhecimento). 2 2. .4 4. .1 1T TR R F FE EG GO O Aolongodedcadastem-severificadoumcrescenterecursoaotransporterodovirio, nomeadamente, para transporte demercadorias (trfegopesado), bemcomoum incrementodas cargas transportadas por eixo, exacerbadas pelo aumento da presso de enchimento dos pneus e pelacrescentesubstituiodosrodadosduplosporrodadossimplesdebaselarga.De acordo comoestudoCOST334(2000),estesfactoresencontram-senabasedeummaiornmerode degradaes que os pavimentos apresentam, estando entre estas o fendilhamento por fadigadas camadas betuminosas. Seguidamente,efectuadaumabrevesntesedainflunciadestesfactores,assimcomoda duraodo tempode aplicao da carga,no fenmenodo fendilhamentopor fadiga. A durao dotempodeaplicaodacargaumdosaspectosabordados,umavezqueavaliadoo comportamento fadiga de misturas betuminosas com betume modificado com alta percentagem de borracha, em ensaios realizados a diferentes frequncias de aplicao da carga. A presso de enchimento dos pneus um factor com influncia no fendilhamento por fadiga dos pavimentos,umavezqueestacondicionaareadecontactoexistenteentreopneueo pavimento para transmisso das cargas transportadas por eixo. Este factor tem sido estudado por diversosinvestigadores(Owendeetal., 2001),tendo-severificadoqueareduodapressode enchimentodospneusreduzofendilhamentoporfadiga.Estasituaobemevidentena Figura2.6,ondesepodeconstatarparaumaumentodapressodeenchimentodospneusuma Captulo 2 23diminuiodavidafadiga,traduzidapeladiminuiodonmerodeaplicaesdecarga necessrias para atingir a rotura. Figura 2.6 Estimativa do nmero de aplicaes de carga para se atingir a rotura em funo da presso de enchimento dos pneus (Owende et al., 2001) O aumento de presso de enchimento pode estar na base do aparecimento de fendilhamento, com incionasuperfciedacamadadedesgaste,propagando-senadirecodabasedascamadas betuminosas,comoreferidopor(COST333, 1999).Oaumentodapressodeenchimentofoi tambm referido por Jacobs & Moraal (1992) e Jacobs et al. (1992) como estando na origem do fendilhamento com incio na superfcie dacamada de desgaste, resultadodas elevadas presses decontactoentreopneueopavimento,promovendoumaumentodatensodetraco horizontal e de deformao na superfcie do pavimento. Outro factor, anteriormente referido, e a ter em conta no fendilhamento por fadiga, a crescente substituio dos rodados duplos por rodados simples de base larga, que contribui para uma maior ocorrnciadecasosdefendilhamentonospavimentos.Estefactoobservadonumestudo realizadoporSiddharthanetal.(1998),emqueasextensesverificadasnafaceinferiordas camadas betuminosas para um rodado simples de base larga num pavimento fino so superiores sverificadaspararodadosduplos,tendo-seconstatadoque,parapavimentosdemaior Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 24 espessura, as extenses so cerca de metade relativamente s verificadas para os pavimentos de menor espessura. Siddharthan et al. (2002) verificaram uma diminuio das extenses na face inferior das camadas betuminosasde pavimentos de menor e demaior espessura, quando se passava da utilizao de rodadosduplospararodadossimplesdebaselarga,corroborandoosresultadosanteriormente mencionados. Outro factor de importncia significativa no fendilhamento por fadiga aduraodo tempo de aplicaodacarga.Estaumaquestoimportante,sobretudoporseverificardesde1990um crescentecongestionamento,principalmentedaszonasurbanas,edaredetranseuropeiade transportes,daqual10 %(7500 km)quotidianamenteafectadaporcongestionamentos (CE, 2000). Essa importncia advm da presena de betume na composio das misturas betuminosas, o que confere s mesmas um comportamento reolgico dependente da durao do tempo de aplicao da carga e da temperatura. Helwanyetal.(1998),porintermdiodumprogramadeelementosfinitosparaanlisede pavimentosflexveis,verificouqueavelocidadeteminfluncianasextensesqueseobtmna faceinferiordascamadasbetuminosas.Esteestudoconsiderouumveculoadeslocar-sea 8 km/h e outro a 105 km/h, tendo-se verificado um reduo das tenses de traco, na ordem dos 8 %, quando se passa de uma velocidade de aplicao da carga de 8 km/h para 105 km/h. NumoutroestudodeSiddharthanetal.(2002)foiaferidaumadiminuiosignificativadas extensesnafaceinferiordascamadasbetuminosasmedidaqueavelocidadeaumentade 5 km/hpara110 km/h,verificando-seumareduonospavimentosdepequenaespessura,na ordemdos28 %,enospavimentoscommaiorespessuranaordemdos26 %,corroborandoos valores j verificados em ensaios de simulao acelerados escala real em pista, realizados nos anos50pelaWASHO.Subsequentemente,estesmesmosresultadosforamverificadosnoutros ensaiosdesimulaoaceleradosescalarealempistanaPennsylvaniaStateUniversitypor Sebaaly & Tabatabaee (1993) e no Minnesota por Dai et al. (1997). Captulo 2 252 2. .4 4. .2 2B BE ET TU UM ME E Obetumeumasubstnciaaglutinanteecomplexadecorcastanhaoupreta,cujacomposio varia de acordo com a origem do crude e processo de refinao. Este utilizado como ligante nas misturasbetuminosas,dadasassuascaractersticasadesivasquepermitemqueenvolvaos agregadosefiler,formandoumaestruturamaisresistenteeimpermevelemvirtudedasua resistncia gua. Osbetumesso,essencialmente,constitudosporhidrocarbonetose,emmenoresquantidades, porsulfuretos,oxignio,nitrognioeoutroselementos.Contudo,possvelseparara constituiodosbetumesemdoisgruposqumicosdistintos,conhecidoscomoasfaltenose maltenos.Os asfaltenosconstituemafracoinsolvelerepresentamcercade5 %a25 %da composiodobetume.Osmaltenos(saturados,aromticoseresinas)consistemnafraco solvel(fracovoltilearomticadobetume)epodemapresentar-senoestadolquidoou viscoso,sendoasuapercentagemnobetumeigualousuperiora75 %.Osmaltenostmum papelimportantenocomportamentodobetume,umavezqueadegradaodasmisturas betuminosasporenvelhecimentodevidooxidaoe/ouvolatilizao,poracodaradiao solaredatemperatura,sedeveperdadestafracodobetume(constituintesvolteise aromticos). Obetumeummaterialqueapresentaumcomportamentovisco-elstico,tendouma componenteelstica,naqualtodasasdeformaesimpostassorecuperveisapscessadaa aplicao da carga, e uma componente viscosa na qual existe uma fraco das deformaes que norecupervel,eumaoutrafracoquerecupervel,noimediatamenteapscessaro carregamento, mas ao longo do tempo. O comportamento do betume depende da temperatura. Quando sujeitos a baixas temperaturas, os seusconstituintesencontram-sefixosenoexistemovimento,pode-sedizerqueobetumese comporta como um slido, resultando numa elevada viscosidade por parte do betume. Porm, medidaqueatemperaturaaumenta,osconstituintesvo-secomeandoadeslocarlentamente, quebrando-seasligaesentreeles(estadoviscoso)atsedeslocaremlivremente(estado lquido), sendo que neste caso a viscosidade baixa. Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 26 Aduraodotempodeaplicaodacargatambminfluenciaocomportamentodobetume, levando a que se comporte como um slido para tempos de aplicao de carga pequenos, ou seja, para situaes em que se tem velocidades de circulao elevadas, e como viscoso a lquido, para tempos de aplicao de carga elevados. O uso de betume nas misturas betuminosas tornao seu comportamento obviamente dependente daspropriedadesreolgicasdobetume,peloqueocomportamentodasmisturasbetuminosas est tambm dependente da temperatura e da durao do tempo de aplicao da carga. Talsituaocontribuiparaqueodesempenhodasmisturasbetuminosasfadigaseja influenciadopelotipoepercentagemdebetumeutilizado,oqueconduziunecessidadede realizao de diversos estudos para quantificao dessa influncia. Noqueconcernequantidadedebetume,SHRP (1994)eHarvey & Tsai (1996),verificaram que o aumento da percentagem de betume resulta na diminuio do mdulo de deformabilidade da mistura betuminosa e aumento da resistncia das misturas betuminosas fadiga. Este aumento deve-se, tambm, a um acrscimo da adesividade entre o betume e os agregados, que se verifica para um aumento do teor em betume (Silva et al., 2002), tal como se representa na Figura 2.7. Figura 2.7 Resultados finais dos ensaios de adesividade feitos em traco simples (Silva et al., 2002) Captulo 2 27De acordo com a Figura 2.8 pode-se verificar um aumento da resistncia fadiga medida que aumentaapercentagemdebetume,atumapercentagemptimadebetume.Apartirdessa percentagem verifica-se uma diminuio da resistncia fadiga. Figura 2.8 Lei de fadiga para diferentes percentagens de betume (Wong et al., 2004) Assim, as misturas devem ser dimensionadas para a percentagem ptima de betume, usualmente determinadapeloensaiodeMarshall(ASTMD6927-06),detalmodo,quesejagarantidoo correcto desempenho fadiga, durabilidade e trabalhabilidade, sem pr em causa, em momento algum, a resistncia deformao permanente e estabilidade estrutural. Porm, necessrio ter em conta que o mdulo de deformabilidade mais adequado no se obtm apenaspelaaplicaodapercentagemptimadebetume,poistalcomojfoireferido anteriormente,aresistnciafadigadependeentreoutrosfactores,dotipodebetumee agregados utilizados, da porosidade e da temperatura. Harveyetal. (1997)evidenciaramestefenmenoaoverificarqueaporosidade, comparativamentepercentagemdebetume,apresentaumamaiorinfluncianodesempenho fadiga.Umamisturacomcercade5 %debetumee5 %devolumedevaziosapresentauma reduode30 %navidafadiga,casoaporosidadesejaexcedidaem1 %relativamenteao valor ptimo, verificando-se, por sua vez, uma reduo de 12 %caso exista uma diminuio de 1 %napercentagemdebetumerelativamenteaovalorptimo.Basta,portanto,quedurantea Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 28 fase de construo se verifique uma diminuio de 1 % da percentagem de betume e um excesso de3 %devolumedevaziosrelativamenteaovalorptimo,paraqueestacombinaoresulte numa diminuio de cerca de 70 % na vida fadiga de uma determinada mistura betuminosa. Noqueconcerneaotipodebetume,emPortugalsohabitualmenteempreguesbetumes convencionais com ndice de penetrao igual a 35/50 ou 50/70 para as misturas betuminosas ou 160/220quandosedestineexecuoderevestimentossuperficiaisousemi-penetraes.No caso de misturas betuminosas de alto mdulo, o betume a utilizar deve ser, em princpio, do tipo 10/20 e, eventualmente, aditivado (APORBET, 1998). O valor do ndice de penetrao adoptado vai influenciar a flexibilidade da mistura betuminosa, verificando-se que quanto maior o valor da penetrao maior a flexibilidade que a mistura betuminosa apresenta, resultando num aumento daresistnciafadiga,emcontrastecomumadiminuiodaresistnciadeformao permanente.EstefactofoiverificadoporSietal.(2002),queconcluramque,emgeral,as misturas com menor ndice de penetrao apresentam uma maior possibilidade de ocorrncia de fendas,sendoperfeitamenteestabelecidoqueasmisturasdurasrompemmaisrapidamentepor fadiga que as misturas mais flexveis quando sujeitas a tenso controlada. Almdosbetumesconvencionaisanteriormentemencionados,cadavezmaiororecursoa betumes modificados para melhorar o comportamento das misturas betuminosas. O aumento do recursoabetumesmodificadosadvmdanecessidadedeproduzirpavimentoscomcamadas betuminosasmaisflexveis,maisresistentesssolicitaesdotrfego,menossusceptveiss variaes climticas, em suma com maior durabilidade. Nessesentido,desenvolveram-sediversosprodutos(polmeros,fibras,filers,entreoutros)para modificaodosbetumesconvencionais,sendocomumorecursoapolmeros.Contudo,nem todos os polmeros so adequados para a modificao dos betumes. Entre os polmeros utilizados actualmentedistinguem-seduasgrandesfamlias,deacordocomBatista(2004):ospolmeros termoplsticos e os elastmeros. Segundo o mesmo autor: -afamliadospolmerostermoplsticosengloba,entreoutros,opolietileno(PE),o polipropileno (PP) e os copolmeros de etileno-acetato de vinilo (EVA); -nafamliadoselastmerosencontram-se,entreosmaiscomuns,oscopolmerosde estireno-butadieno (SB), de estireno-butadieno-estireno (SBS). Alm destes, destacam-se Captulo 2 29aindapelaimportnciaquetemvindoaadquirir,aborrachanatural(NR)esinttica (SBR) e a borracha proveniente da reciclagem de pneus. Amodificaodosbetumesatravsdaadiodepolmerospermite,deacordocomosestudos realizadosporKhattak & Baladi (1998),Isacsson&Lu (1999),Goulias&Ntekim(2001), Fee (2001),Raad etal. (2001)eMurayama&Himeno(2002),reduziroenvelhecimentoe degradaesquesurgemnospavimentos,nomeadamenteadeformaopermanente,o fendilhamento a baixas temperaturas e a fadiga. Asmelhoriasverificadassofunodeumareduodasusceptibilidadedasmisturas betuminosascombetumesmodificadostemperatura,atravsdoaumentodatemperaturade pontodeamolecimentoediminuiodapenetrao,permitindodestaformaumaumentoda viscosidadeparatemperaturaselevadaseumadiminuioparatemperaturasbaixas (Khattak & Baladi, 2001).SegundoosmesmosautoreseShell(2003),osbetumesmodificados apresentamaindaumaumentodaadesividadedobetumecomosagregados,resultadodeuma estruturamolecularmaisestvel,queconduzaumaumentodaresistnciatracoe compresso.NaFigura2.9possvelobservaragregadosenvolvidosporumbetume convencional e um betume modificado, verificando-se no recipiente da esquerda a adeso quase inexistente entre os agregados e o betume convencional, e no recipiente da direita uma melhoria a nvel da adeso entre um agregado e um betume modificado. Figura 2.9 Comparao da adesividade de um betume no modificado (esquerda) e de um betume modificado (direita) (WSDOT, 2006) Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 30 Osbetumesmodificadosutilizadosnofabricodemisturasbetuminosaspodemserobtidosde diversas formas, comoanteriormente referido, contudo, de acordo com a classificao adoptada pela Asphalt Academy (2001), estes podem ser classificados em dois grupos principais: betumes homogneos (homogeneous binders), definidos como uma mistura de betume compolmeros,sendoadispersodospolmerosnobetumetal,quenodetectadaa nvelmicroscpico(soluo),peloqueobetumemodificadoconsideradoummaterial nico.Entreestespode-secitarosbetumesmodificadoscompolmerosdotipoEVA, SBS, SBR; betumesnohomogneos(non-homogeneousbinders),definidoscomoumamistura emqueexistemdoisestadosfsicosdistintos,resultantesdadispersoincompleta (suspenso).Exemplodestesbetumes,soosmodificadoscomborrachaprovenienteda reciclagemdepneus,emqueaborrachaabsorveesedispersaparcialmentenobetume. Estes so alvo de maior detalhe no captulo 3, no qual se aborda toda a temtica relativa aosbetumesmodificadoscomaltapercentagemdeborrachaeasuaincorporaona composio das misturas betuminosas. NoQuadro2.3apresentadaumasntesedosfactoresassociadosaosbetumesqueafectama rigidez e a resistncia fadiga de misturas betuminosas. Quadro 2.3 Factores do betume que afectam a rigidez e a resistncia fadiga de misturas betuminosas Efeito FactorVariao Rigidez Resistncia fadiga a extenso controlada Penetrao do betume DiminuiAumentaDiminui Percentagem de betume Aumenta (1) AumentaAumenta (1) At uma percentagem ptima de betume Captulo 2 312 2. .4 4. .3 3A AG GR RE EG GA AD DO OS S Os agregados formam cerca de 85 % do volume das misturas betuminosas, o que contribui para queassumamumpapeldeextremaimportncianoqueconcernepromoodaresistnciae absoro de grande parte dos esforos impostos pelos veculos (Mahmoud, 2005). Osagregadosvulgarmenteutilizadospodemserclassificadosquantonaturezaemtrsgrupos principais (Hunter, 2000): naturaistodasasrochasquetenhamsurgidosegundoumprocessodetransformao natural,ouseja,podemsereruptivasougneas,sedimentaresemetamrficas.Estas encontram-senacrostaterrestre,nosriosouesturios,podendoserobtidaspor intermdio de meios de extraco directa, escavao ou exploso de rochas; artificiais/sintticos formam-se como resultado de processos industriais; recicladosobtidosatravsdareciclagemdemateriaisdeobrascivisedeoutrostipos, existindoactualmenteumempenhonosentidodeseutilizarcadavezmaismateriais reciclados. Osagregadosutilizadosnaconstruodeinfra-estruturasrodoviriasapresentamumagrande variedade, o que associado s diferentes origens que podem apresentar, conduziu realizao de diversosestudos,comointuitodepercebercomootipodeagregadoesuaspropriedades influenciam o comportamento das misturas betuminosas relativamente s principais degradaes existentesnospavimentosflexveis,nomeadamenteEpps&Monismith(1972), Huang & Grisham (1972), Karakouzian et al. (1996), Chen & Liao (2002) e Kwame (2006). Grandepartedestesestudostmsidorealizadosparaavaliarainflunciadosagregadosna resistnciadasmisturasbetuminosasdeformaopermanente,umavezqueosagregados afectamemmenorgrauaresistnciadeumamisturabetuminosafadigacomparativamente deformao permanente. Osagregados,quandoincorporadoscomoelementosestruturantesdumamisturabetuminosa, deveroobedeceraumfusogranulomtricopr-estabelecidoparaarespectivamistura betuminosa.Agranulometriavaiinfluenciararesistnciaobtida,assimcomoaspropriedades das misturas betuminosas nas vrias fases da sua vida.Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 32 Nafasedeconstruo,agranulometriainfluenciaatrabalhabilidadedamistura,devendoo agregadomanterassuascaractersticasintactas.Paratal,necessrioqueesteoferea resistnciafragmentao,aquandodasuaaplicao,eaochoquetrmico,dadasaselevadas temperaturasdefabricoedeaplicaodasmisturas,querondam,nocasodasmisturasem apreo, os 190 C e 180 C, respectivamente. Nafasedeservio,agranulometriaadoptadacondicionaotipodeestruturaquesevaiobter, assimcomoonveldeimbricamentoentreaspartculasdoagregado.Segundo Pell & Cooper (1975), a granulometria adoptada ainda um factor fundamental na determinao daquantidadedebetumeutilizadonamistura,influenciandoindirectamenteodesempenhodas misturasfadiga.Autilizaodeumacurvagranulomtricaextensaaoinvsduma granulometriadescontnuaouuniforme,promoveumadiminuiodaresistnciafadiga,uma vezqueestetipodeestruturaapresenta-semaiscoesa,diminuindoassimapercentagemde betume utilizado. partedagranulometriaresponsvelpeloesqueletomineraldasmisturas,tambmas propriedadesdosagregadosinfluenciamocomportamentodasmisturasbetuminosasfadiga. Destas,destaca-seadimensomximadoagregado,adurezadaspartculas,aresistncia fragmentao, a textura e a forma. Relativamentetexturadosagregados,verifica-seumaumentodaresistnciadasmisturas betuminosas fadiga quando se passa de um agregado de textura lisa para um de textura rugosa. EsteaumentoderesistnciafoidemonstradoporKimetal.(1992),SHRP (1994)e Tutumluer et al.(2005),queconstataramquemisturasdetexturamaisrugosaeangulosa apresentavammelhorcomportamentofadiga.Estecomportamentodeve-seaofactoda percentagemdebetumeutilizadadependerdarugosidadedoagregado,ouseja,medidaque aumenta a rugosidade aumenta tambm a rea de contacto existente para ligao entre o betume e os agregados, aumentando assim a absoro e adeso entre os agregados e o betume. Segundo Curtis et al. (1993), a adeso encontra-se ainda dependente da composio qumica do agregado utilizado. Captulo 2 33Aformadoagregadoumapropriedadeimportantenodesempenhodasmisturasbetuminosas, (Masadetal., 2004).Osagregadospodemterformaredondaaangular(cbica),medidapelo ndice de forma. Misturas betuminosas que incorporam na sua estrutura um tipo de agregado de forma redonda ao invs de angular, obtm um ganho a nvel da trabalhabilidade, porm, na fase deservioverifica-seumareduodaresistnciafadiga.Relativamenteaondicede achatamento, o uso de agregados com valores de achatamento elevado conduz geralmente a uma diminuiodaresistnciafadigadasmisturasbetuminosas,umavezqueasmisturasde agregadosapresentamumamaiortendnciaparafracturarquandosujeitasssolicitaes impostas pelo trfego. No Quadro 2.4 apresentado um resumo dos factores associados aos agregados que influenciam a vida fadiga das misturas betuminosas, de acordo com a alterao a que so sujeitos. Quadro 2.4 Factores dos agregados com influncia na resistncia fadiga Efeito FactorVariao Rigidez Resistncia fadiga a extenso controlada Granulometria Mistura aberta para rugosa (Descontnua a contnua) AumentaDiminuio Textura da superfcie Lisa a rugosaAumentaAumento FormaRedonda a angulosaAumentaAumento 2 2. .4 4. .4 4C CO OM MP PA AC CT TA A O O Acompactaoumdosfactoresmaisimportantesnodesempenhoalongoprazodeum pavimentoflexvelsobreassolicitaesdotrfego,deacordocomBelletal.(1984), Geller (1984), Hughes (1989) e Hunter (2000). Atravs da compactao possvel obter um aumento da densidade, resultante da diminuio da porosidadedasmisturasbetuminosas.Taldiminuiopromoveumaumentodoatritoentre partculas,resultadodeumamaiorinterligaoentreosagregadoseobetume.Destaforma,a Resistncia Fadiga de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Alta Percentagem de Borracha 34 compactaopermitequeasmisturasbetuminosasapresentemmelhoriasrelativamente resistnciafadiga,deformaopermanenteeaoenvelhecimento,consequnciadoaumento da densidade da mistura para um determinado volume. Aporosidadeapresenta,portanto,umpapelimportantenodesempenhodospavimentos. Poder-se-iaemprimeiraanlisepensarqueumamisturabetuminosacomumaporosidadenula seria a situao ideal, todavia, de acordo com Roberts et al. (1996) e Capito (2003), existe um valor mnimo para a porosidade (porosidade crtica), que deve ser respeitado, e que se cifra nos 3 %,sendoqueabaixodestevalorasmisturasbetuminosasapresentamumadiminuioda resistncia fadiga. A utilizao de valores inferiores a 3 % resulta numa preponderncia do comportamento plstico dasmisturas,comobetumeaocupartodososvazios,diminuindoaespessuradapelculade betume e, em ltima instncia, o espaamento entre as partculas. DeacordocomSousa&Weisman(1994),quandoaporosidadeinferiora2 %ou3 %, verifica-se uma diminuio da rigidez da mistura, uma vez que o betum