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CONINFRA 2010 – 4º CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - 4º TRANSPORTATION

INFRASTRUCTURE CONFERENCE) August 4th to 6th 2010

São Paulo - Brasil

04-040 ISSN 1983-3903

CONINFRA 2010 – 4º CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - 4º TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONFERENCE)

August 4th to 6th 2010 São Paulo - Brasil

INFLUÊNCIA DO POLÍMERO SBS NA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DE MISTURAS ASFÁLTICAS UTILIZANDO AREIA DE RESÍDUOS DE

CONSTRUÇÃO E AREIA RESIDUAL PARA O MUNICÍPIO DE MANAUS-AM (INFLUENCE OF POLYMER SBS ON THE TENSILE STRENGTH OF

ASPHALT MIXTURES SAND USING SOLID WASTE CONSTRUCTION AND RESIDUAL SAND FOR THE MUNICIPALITY OF MANAUS-AM)

RAYGLON ALENCAR BERTOLDO, Graduando – Universidade Federal do Amazonas – UFAM, Grupo de Geotecnia, Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado, 69077-000, Manaus, Amazonas, Brasil, Tel. / Fax: +55 92 3305-4649/4521, e-mail: [email protected]. REGINALDO JOSÉ QUEIROZ DE SOUZA, Graduando – Universidade Federal do Amazonas – UFAM, Grupo de Geotecnia, Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado, 69077-000, Manaus, Amazonas, Brasil, Tel. / Fax: +55 92 3305-4649/4521, e-mail: [email protected]. TAYANA MARA FREITAS DA CUNHA, Mestranda – Universidade Federal do Amazonas – UFAM, Grupo de Geotecnia, Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado, 69077-000, Manaus, Amazonas, Brasil, Tel. / Fax: +55 92 3305-4649/4521, e-mail: [email protected]. CONSUELO ALVES DA FROTA, Coordenadora do Grupo de Geotecnia (GEOTEC/UFAM) –Universidade Federal do Amazonas – UFAM, Grupo de Geotecnia, Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado, 69077-000, Manaus, Amazonas, Brasil, Tel. / Fax: +55 92 3305-4649/4521, e-mail: [email protected]. RESUMO O Município de Manaus, capital do estado do Amazonas, está assentado na bacia sedimentar Amazônica cujas rochas sedimentares provenientes da formação Alter do Chão (arenitos, em sua grande maioria, siltitos e argilitos), situam-se, em geral, em profundidades superiores a 12m, elevando sobremaneira o custo do material pétreo para a construção civil. No caso da pavimentação a solução econômica usual tem sido o uso do seixo rolado como agregado graúdo em misturas do tipo CA ou areia asfáltica usinado a quente (AAUQ), apresentando estruturas com reduzida durabilidade, seja pela ausência do material graúdo ou pelo uso do material aluvionar, associado às características peculiares do clima regional (altas temperaturas e índice pluviométrico). O presente trabalho estuda a influência do ligante tradicional fornecido pela Refinaria Isaac Sabba da Petrobras (CAP 50/70) modificado pela adição do polímero SBS (copolímero de estireno e butadieno) em misturas asfálticas do tipo areia asfáltica, utilizando areia regionalmente empregada nas obras civis e areia oriunda da britagem de resíduos sólidos originados pela construção civil (RCD). Foram realizados ensaios de caracterização dos agregados, do fíler e dos ligantes (CAP 50/70 e CAP modificado com SBS), dosagem pelo método Marshall e a determinação do comportamento mecânico pela resistência à tração por compressão diametral (RT).



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PALAVRAS-CHAVE: Misturas asfálticas, Areia asfáltica, Resistência à tração por compressão diametral. ABSTRACT The city of Manaus, capital of Amazonas state, sat in the Amazon whose sedimentary basin sedimentary rocks from the Alter do Chão formation (sandstones, mostly, siltstones and mudstones), are located generally at depths greater than 12m, greatly increasing the cost of coarse aggregate for construction. In the case of paving the usual economic solution has been the use of gravel as aggregate in mixtures of sand or asphalt type AC machined hot (AAUQ), showing structures with low durability, is the absence of the material grown or the use of the material alluvium, associated with the peculiar characteristics of the regional climate (high temperatures and rainfall). This paper studies the influence of traditional binder supplied by Petrobras Refinery Isaac Sabba (CAP 50/70) modified by adding polymer SBS (styrene-butadiene) in asphalt mixtures (finish) type sand asphalt using sand used regionally in civil works and sand brought from the crushing of solid waste generated by construction (CDW). assays were performed to characterize the aggregates of fillers and binders (50/70 CPC and CPC modified SBS) dosing method by Marshall and the determination of mechanical behavior by tensile strength by diametrical compression (RT). KEY WORDS: Asphalt mixtures, Sand asphalt, Tensile strength by diametrical compression.



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INTRODUÇÃO A dificuldade de acesso às jazidas de material pétreo, que se encontram normalmente a grandes distâncias do centro urbano (elevando o custo do transporte) ou a profundidades superiores a 12m, bem como, o clima tropical quente e úmido, com altas temperaturas e elevados índices pluviométricos durante a maior parte do ano, não favorecem a produção de misturas asfálticas de boa qualidade e durabilidade na cidade de Manaus, capital do estado do Amazonas. As alternativas encontradas para a escassez de agregado granular tem sido a utilização de misturas asfálticas dos tipos: areia-asfalto a quente – AAUQ e cimentos asfálticos – CA, utilizando-se seixo como agregado graúdo, levando ao compósito suas características de material polido e arredondado. O elevado grau de desenvolvimento urbano que vive a capital amazonense e o crescente aumento do número de veículos trafegando nas suas vias públicas, transforma o problema da baixa qualidade dos revestimentos asfálticos em um grande desafio para os construtores, poder público e grupos de pesquisa locais ― oferecer soluções que sejam técnica e economicamente viáveis para região. As alternativas estudadas segundo a resistência à tração foram: a) modificação do cimento asfáltico de petróleo – CAP, por meio da incorporação do copolímero SBS (estireno-butadieno-estireno); b) alteração da dosagem regional (AAUQ), por meio da substituição de 30% (trinta por cento) da areia residual – Areia Natural pela areia proveniente da britagem de resíduos sólidos de construção e demolição – Areia RCD. MATERIAIS E MÉTODOS Cimento Asfáltico de Petróleo e Polímero SBS Foram empregados dois tipos de cimentos asfálticos para produção da areia-asfalto usinadas a quente (AAUQ), o ligante convencional – CAP 50/70 e o material asfáltico modificado com a adição de polímero, denominado neste artigo de CAP-SBS. O cimento asfáltico de petróleo comercializado pela Refinaria Isaac Sabbá – REMAN na cidade de Manaus, é oriundo dos petróleos Campo Fazenda Alegre e Ceará-mar, situados nos estados do Espírito Santo e Ceará, respectivamente. O copolímero de estireno e butadieno – SBS tem o seu comportamento frente às variações térmicas classificado como elastômero termoplástico, como sugerido por Mano (1985, 1991), e segundo Leite (1999) são aqueles que, a baixa temperatura, apresentam comportamento elástico, porém quando a temperatura eleva-se passam a mostrar comportamento termoplástico. A incorporação desse material ao CAP50/70 utilizou um equipamento composto de: agitador mecânico com hélice cisalhante, sonda, controlador de temperatura, becker de vidro com capacidade de 5 litros e manta aquecedora. O método empregado consistiu no aquecimento do cimento asfáltico em um agitador a uma rotação de 300 rpm por 2 horas, em quanto se incorporava o SBS na proporção de 2%, sob aquecimento a 150±5°C, onde se obteve o CAP-SBS. Caracterizaram-se os citados ligantes no Laboratório da REMAN de acordo com as normas da American Standard Test Method – ASTM, por meio dos ensaios: Penetração; Ponto de Amolecimento; Solubilidade em Tricloroetileno; Ponto de Fulgor, Ductilidade a 25°C; Densidade Relativa a 25°C; Viscosidade Saybolt Furol nas temperaturas 135°C, 150°C e 177°C; Viscosidade



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Brookfield nas temperaturas 135°C, 150°C e 177°C e, após simulação do envelhecimento na Estufa de Efeito de Calor e Ar de Filme Fino Rotativo (RTFOT), determinaram-se, igualmente, a Variação de Massa, Penetração Retida, Variação no Ponto de Amolecimento e Ductilidade. Os resultados dos ensaios estão agrupados na Tabela 1.

Tabela 1. Características dos ligantes asfálticos. Características Método Unidade CAP 50/70 CAPSBS Penetração D5 0,1 mm 69 39,5 Ponto de amolecimento D36 grau C 49,7 52,5 Viscosidade Saybolt Furol a 135 C E 102 s 283 300,78 Viscosidade Brookfield a 135 C D4402 cp 539 870 Viscosidade Saybolt Furol a 150 C E 102 s 140,7 149,38 Viscosidade Brookfield a 150 C D4402 cp 279,8 401,36 Viscosidade Saybolt Furol a 177 C E 102 s 50,8 56,97 Viscosidade Brookfield a 177 C D4402 cp 96,8 158,64 Ductilidade D113 cm > 100 41,5 Ponto de fulgor D92 grau C 318 324 Solubilidade em tricloroetileno D2042 % massa 99,9 99,7 RTFOT variação em % massa D2872 % 0,04 0,075 RTFOT aumento do ponto de amolecimento D36 grau C 7,1 9,3 RTFOT penetração retida D5 % 63 27,1 Densidade relativa a 20/4C D70 N/A 0,998 0,994 Os resultados obtidos nos ensaios apresentados na Tabela 1, demonstram que os cimentos asfálticos utilizados nas misturas do presente trabalho, atendem às especificações brasileiras regulamentadas pela Agência Nacional de Petróleo (ANP), e o incremento do SBS ao material betuminoso indicou um aumento da viscosidade que, conforme BERNUCCI et al. (2007), eleva a resistência à deformação permanente e proporciona um melhor retorno elástico. As modificações do CAP realizaram-se no Laboratório do Grupo de Geotecnia da Universidade Federal do Amazonas (GEOTEC/UFAM), conforme mostram as Figuras 1 e 2.



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Figura 1. Incorporação do SBS. Figura 2. Agitador mecânico.

Agregados e Fíller Empregaram-se como materiais miúdos e de enchimento: areia residual comercializada no município, identificada como Areia Manaus, areia proveniente de britagem de resíduos sólidos de construção e demolição, denominada como Areia RCD e como filler o cimento portland composto – CP II–Z-32, produzido por industria local. Os agregados foram caracterizados no GEOTEC/UFAM, de acordo com as Normas da American Standard Test Method – ASTM, pelos seguintes ensaios: granulometria, equivalente de areia, densidades relativas (real e aparente), massas específicas (solta e compactada), sendo as texturas indicadas na Figura 3.

Figura 3. Granulometria dos agregados e do cimento.

Comparando-se as granulometrias das duas areias, observa-se que a Areia RCD é mais grossa relativa a Areia Manaus, tomando-se como exemplo o percentual dos grãos de diâmetro superiores a 1mm, a areia residual apresenta aproximadamente 15% de partículas enquanto a Areia RCD cerca de 40%. A densidade e massa específica dos agregados estão diretamente ligadas as suas propriedades volumétricas, sendo parâmetros necessários para realização das dosagens. Por outro



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lado, os agregados podem conter materiais deletérios que os tornam inadequados para o emprego em misturas asfálticas e, visando aceitabilidade dos agregados miúdos quanto a esta questão, realizou-se o ensaio de equivalente de areia. Esses resultados são mostrados na Tabela 2.

Tabela 2. Características dos agregados e cimento.

Características Método Areia Manaus

Areia de RCD Cimento

Densidade Real (g/cm³) ME 194 2,606 2,370 - Massa Específica Solta (g/cm³) C 29 1,640 1,506 - Massa Específica Compactada (g/cm³) C 29 1,814 1,656 - Equivalente de Areia (%) D 2419 92,80 - -

Definições das Dosagens Segundo BERNUCCI et al. (2008) a dosagem de uma mistura asfáltica consisti na escolha, de acordo com procedimentos experimentais, de um teor dito “ótimo” de ligante, a partir de uma faixa granulométrica predefinida. A dosagem de projeto, encontrada para os diferentes tipos de AAUQ´s, constam na Figura 4 e Tabela 3.

Figura 4. Enquadramento das misturas na Faixa B do DNIT.

Tabela 3. Dosagens determinadas

Mistura Ligante Areia Manaus Areia de RCD Cimento

AAUQ-M CAP ou CAPSBS 95% - 5% AAUQ-MR CAP ou CAPSBS 65% 30% 5%

Definida a dosagem passou-se a confecção dos corpos de prova – CP, variando-se o teor de cimento asfáltico de 7% a 12% (faixa B do DNIT), analisando-se o comportamento volumétrico da mistura



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em relação aos índices mínimos e máximos exigidos pela norma do DNIT 032/2005 – ES, quais sejam o volume de vazios – Vv e a relação betume vazios – RBV. Nos procedimentos empregados ressalta-se: os agregados eram aquecidos até uma temperatura de 170ºC e o ligante aproximadamente a 160º; após as mistura homogeneizadas eram acondicionadas em uma estufa para o envelhecimento por duas horas a temperatura de 160ºC, tal processo visou simular o desgaste do material do local onde foi confeccionado até o seu destino. RESULTADOS E DISCUSSÕES O método adotado para o cálculo do teor ótimo observou a metodologia do 3º Distrito Rodoviário Federal (3º DRF) do DNIT, obtendo-se o aludido teor por meio da média entre os valores encontrados. De posse dos valores máximos e mínimos estabelecidos em norma para Vv, RBV, bem como os parâmetros físicos oriundos dos ensaios, encontra-se a dosagem ótima graficamente, traçando-se as médias dos limites de Vv e RBV, sendo em seguida determinando uma nova média do sistema, para assim obter-se uma média definitiva que representa o Teor Ótimo de ligante da mistura em questão. Tal procedimento adotou-se para cada mistura descrita na Tabela 3 e mostra-se nas Figuras de 5 a 8.

Figura 5. Teor de projeto – AAUQ-M com CAP.



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Figura 6. Teor de projeto – AAUQ-M com SBS.

Figura 7. Teor de projeto – AAUQ-MR com CAP.



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Figura 8. Teor de projeto – AAUQ-MR com SBS.

Resistência à tração Os resultados concernentes ao ensaio de resistência à tração por compressão diametral (RT), realizado a 25ºC, nos corpos de prova moldados conforme o teor ótimo (DNER 138/94), constam na Tabela 4.

Tabela 4. Resistência à tração.

Material Força Máxima (kN) RT (MPa)

AREIA/CAP 6,461 0,687 AREIA/SBS 7,889 0,838

AREIA/A-RCD/CAP 9,691 0,935 AREIA/A-RCD/SBS 10,572 1,036

Alguns valores de referência de RT concernentes a misturas de areias asfálticas à quente, recém-moldadas, situam-se em média entre 0,5 MPa e 2,0MPa, conforme BERNUCCI et al. (2008). Os valores desse parâmetro, obtidos na presente pesquisa com Areia RCD, apresentaram resultados mais significativos confrontados aqueles encontrados para as misturas com Areia Manaus, em torno de 36% e 23% de ganho para a mistura AAUQ/CAP e AAUQ/SBS, respectivamente. Para melhor analisar tais valores relativos a outros trabalhos publicados tem-se os dados indicados na Tabela 5.



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Tabela 5. Valores comparativos de Resistência à Tração.

Fonte RT (MPa) Descrição

CARVALHO, et. al. (2006) 0,74 AAUQ + Fibra Metálica BERNUCCI et al. (2008) 0,96 a 1,24 AAUQ + Asfaltita

SOARES et al.(2009) 0,77 AAUQ + Solo Contaminado por Petróleo Comparando-se os valores de RT deste trabalho com os valores publicados em outros artigos científicos (Tabela 5) observam-se resultados satisfatórios para as misturas com Areia de RCD e um ganho considerável em relação ao AAUQ convencional (sem adição de materiais alternativos AREIA/CAP). Igualmente, nas Figuras 9 e 10, têm-se os valores da força axial x deformação, onde se nota: um discreto aumento da força axial máxima da mistura asfáltica com ligante modificado (Areia+SBS) respeitante a mistura com CAP convencional (Areia+CAP), assim como, a adição de SBS (Areia de RCD+SBS) na mistura com Areia de RCD elevou a resistência à tração atinente a mistura com Areia de RCD e cimento asfáltico empregado na região.

Figura 9. Teor de Ligante – AAUQ-M.



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Figura 10. Teor de Ligante – AAUQ-MR. CONCLUSÕES - A adição do polímero SBS contribuiu significativamente para o ganho de resistência à tração por compressão diametral, levando a crer que tal mistura pode e deve ser usada na região de Manaus; - Apesar de uma mistura, tipo AAUQ, consumir muito ligante, o polímero SBS contribuiu para minimizar o volume do cimento asfáltico nesse compósito; - Na mistura tendo Areia de RCD e polímero de SBS em sua composição, ficou evidente o ganho de resistência à tração em relação ao constante na Norma 032/2005. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BERNUCCI, L. B. et al. Pavimentação Asfáltica: Formação Básica para Engenheiros. Petrobras-Asfaltos. Rio de Janeiro. 2007. C131 - 06 Standard Test Method for Resistance to Degradation of Small-Size Coarse Aggregate by Abrasion and Impact in the Los Angeles Machine. C29 / C29M - 09 Standard Test Method for Bulk Density ("Unit Weight") and Voids in Aggregate. D2419 - 09 Standard Test Method for Sand Equivalent Value of Soils and Fine Aggregate. D70 - 09e1 Standard Test Method for Density of Semi-Solid Bituminous Materials (Pycnometer Method).



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D 36 - Softening point of bitumen: ring-and-ball apparatus. USA, 1995. D 5 - Standard test method for penetration of bituminous materials. USA, 1997. D 2872 - Effect of heat and air on a moving film of asphalt (rolling thin-film oven test). USA, 1997. D 113- Ductility of bituminous materials. USA, 1999. D 2042 - Solubility of asphalt materials in trichloroethylene. USA, 2001. D 4402 - Viscosity determination of asphalt at elevated temperatures using a rotational viscometer . USA, 2002. E 102 - Standard test method for Saybolt-Furol viscosity of bituminous materials at high temperatures. USA, 2003. D 92 - Flash and fire points by Cleveland open cup tester . USA, 2005. DNER-ME 194/98: Agregados – determinação da massa específica de agregados miúdos por meio do frasco Chapman. DNER 138/94 Misturas betuminosas – determinação da resistência à tração por compressão diametral. DNIT 032/2005 – ES: pavimentos flexíveis: areia asfalto a quente: especificação de serviço. Rio de Janeiro, 2005. LEITE, L.F.M. Estudos de preparo e caracterização de asfaltos modificados por polímeros. 1999. 266 f. Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia de Polímeros) – Instituto de Macromoléculas Professora Eloísa Mano, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 1999. MANO, E.B. Introdução a polímeros. São Paulo: Editora Edgard Blücher, 1985. Polímeros, produção e aplicação. São Paulo: Editora Edgard Blücher, 1991. PINTO, C.S. Curso básico de mecânica dos solos. São Paulo: Oficina de Textos, 2000. SOARES, J.B et. al. Aplicação de solo contaminado por petróleo em misturas asfálticas. 16ª RPU – Reunião de Pavimentação Urbana, Belo Horizonte, 2009.

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