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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

Rossano Streppel Vieira

ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA AREIA NATURAL NA RESISTÊNCIA A

FADIGA DE MISTURAS ASFÁLTICAS POR MEIO DA TEORIA

VISCOELÁSTICA DO DANO CONTÍNUO

Santa Maria, RS

2018


ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA AREIA NATURAL NA RESISTÊNCIA A

FADIGA DE MISTURAS ASFÁLTICAS POR MEIO DA TEORIA

VISCOELÁSTICA DO DANO CONTÍNUO

Trabalho de conclusão, apresentado ao Curso de Engenharia Civil, do Centro de Tecnologia da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Civil.

Orientador: Prof. Dr. Luciano Pivoto Specht

Santa Maria, RS 2018


ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA AREIA NATURAL NA RESISTÊNCIA A FADIGA DE MISTURAS ASFÁLTICAS POR MEIO DA TEORIA VISCOELÁSTICA DO

DANO CONTÍNUO

Trabalho de conclusão, apresentado ao Curso de Engenharia Civil, do Centro de Tecnologia da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Civil.

Aprovado em 16 de julho de 2018:

__________________________________ Luciano Pivoto Specht, Dr. (UFSM)

(Presidente/Orientador)

__________________________________ Magnos Baroni, Dr. (UFSM)

__________________________________ Eng. Sílvio Lisboa Schuster (UFSM)

Santa Maria, RS 2018

RESUMO

ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA AREIA NATURAL NA RESISTÊNCIA A FADIGA DE MISTURAS ASFÁLTICAS POR MEIO DA TEORIA VISCOELÁSTICA DO

DANO CONTÍNUO

Autor: Rossano Streppel Vieira

Orientador: Luciano Pivoto Specht

A fissuração por fadiga é uma das principais patologias visíveis nos pavimentos flexíveis e é resultante da repetição de solicitações exercidas pelo tráfego, gerando tensões que inicialmente formam microtrincas e evoluem, com o tempo, para macrotrincas, sendo elas, normalmente, iniciadas nas fibras inferiores e difundidas até sua superfície. Com o pressuposto de que a areia natural, por enfrentar intemperismo físico e químico durante seu tempo de existência, apresenta formato esférico, com menos faces fraturadas, e textura superficial mais lisa quando comparada aos agregados obtidos através de processo de britagem, analisou-se a influência dessas propriedades na fadiga. Construiu-se quatro composições distintas: a primeira sem areia, a segunda com 2% de areia, a terceira com 4% de areia, e a quarta com 6% de areia. Nestas misturas, manteve-se a parcela graúda igual, e mudou-se apenas a parcela fina do material, de maneira a isolar e buscar somente o efeito da areia nos resultados. Fez-se o uso dos ensaios de tração-compressão associados à modelagem de dano que se mostrou uma ferramenta segura para avaliação dos parâmetros viscoelásticos. Desta forma, o presente trabalho teve por objetivo a implementação do protocolo de ensaios e análises para caracterização do dano de misturas asfálticas através do modelo Simplified - Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD). Após a aquisição dos dados experimentais, foram geradas curvas de Wöhler experimentais e simuladas e foi utilizando o software FlexPAVE, simulado as diferentes misturas em uma estrutura de pavimento. A mistura de 4% apresentou o melhor comportamento à fadiga, seguida das misturas de 6%, 0% e 2%. Palavras chave: Misturas Asfálticas. Fadiga. Areia Natural. Modelo S-VECD.

ABSTRACT

STUDY OF THE INFLUENCE OF NATURAL SAND IN THE FATIGUE RESISTANCE OF ASFALTIC MIXTURES THROUGH THE VISCOELASTIC

THEORY OF CONTINUOUS DAMAGE

AUTHOR: Rossano Streppel Vieira

ADIVISOR: Prof. Dr. Luciano Pivoto Specht

Fatigue cracking is one of the main visible pathologies in flexible pavements and is the result of the repetition of traffic demands, generating tensions that initially form microcracks and evolve, over time, to macrocracks, which are usually initiated in the inferior fibers and diffused to its surface. With the assumption that natural sand, due to the physical and chemical weathering during its time of existence, presents a spherical shape, with fewer fractured faces, and a smoother surface texture when compared to the aggregates obtained by crushing process. influence of these properties on fatigue. Four different compositions were constructed: the first without sand, the second with 2% sand, the third with 4% sand, and the fourth with 6% sand. In these mixtures, the equal amount was maintained, and only the fine portion of the material was changed, to isolate and seek only the effect of the sand on the results. The tensile-compression tests associated with the damage modeling were used, which proved to be a safe tool to evaluate the viscoelastic parameters. In this way, the objective of this work was to implement the protocol of tests and analyzes the characterization of the damage of asphalt mixtures through the Simplified - Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) model. After the acquisition of the experimental data, experimental and simulated Wöhler curves were generated and the different mixtures in a pavement structure were simulated using the FlexPAVE software. The 4% mixtures showed the best fatigue behavior, followed by mixtures of 6%, 0% and 2%.

Keyword: Asphalt Mixtures. Viscoelasticity. Natural Sand. S-VECD Model.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Temperatura em função do combustível na produção de misturas asfálticas.......................................................................................................................4

Figura 2 – Domínios típicos do comportamento mecânico das misturas asfálticas em função das deformações e da temperatura...................................................................5

Figura 3 – Domínios típicos do comportamento mecânico das misturas asfálticas em função das deformações e do número de ciclos...........................................................6

Figura 4 – Fenômeno de fadiga.....................................................................................7

Figura 5 – Diferentes regiões do fenômeno de fadiga...................................................8

Figura 6 – Carregamento do ensaio de tração por compressão diametral.....................9

Figura 7 – Ensaio de fadiga realizado por flexão em barras prismáticas.....................10

Figura 8 – Ensaio de fadiga realizado por flexão em barras trapezoidais....................11

Figura 9 – Ensaio de fadiga realizado por tração direta...............................................12

Figura 10 – Critério de ruptura por queda do ângulo de fase.......................................14

Figura 11 – Exemplos de modelos de fadiga...............................................................15

Figura 12 – Exemplo de curva característica de dano com diferentes deformações...17

Figura 13 – Pedreira Concepa – As margens da BR 290 – Km 30 – Santo Antônio da Patrulha – RS.............................................................................................................22

Figura 14 – Agregados retidos na peneira #80 utilizados no estudo.........................23

Figura 15 – Curvas Granulométricas dos agregados utilizados.................................25

Figura 16 – Curva granulométrica da mistura com 0% de areia................................27




Figura 20 – Massa de agregados separados utilizada para moldagem.....................32

Figura 21 – Misturador InfraTest no LMCC (UFSM)..................................................34

Figura 22 – Compactador Servopac no LMCC (UFSM).............................................35

Figura 23 – Comparação das curvas mestras de módulo dinâmico para todas as misturas (@ 21°C)......................................................................................................36

Figura 24 - Curvas mestras de módulo dinâmico nas baixas frequências................

Figura 25 – Comparação das curvas mestras de ângulo de fase para todas as misturas (@ 21°C)......................................................................................................37

Figura 26 – Equipamento Universal Testing Machine (UTM–25)................................39

Figura 27 – Retificação da superfície dos corpos de prova.........................................39

Figura 28 – Colagem dos pinos nos corpos de prova.................................................40

Figura 29 – Cola epoxí no corpo de prova.................................................................41

Figura 30 – Corpo de prova colado no gabarito...........................................................42

Figura 31 – Aba do software com as características do revestimento asfáltico...........43

Figura 32 – Aba do software com tráfego utilizado.....................................................44

Figura 33 – Aba do software com dados climáticos utilizado......................................44

Figura 34 – Malha de pontos utilizada para determinação do dano médio acumulado na camada de revestimento........................................................................................45

Figura 35 – Curvas características de dano para a mistura de 0% areia....................47

Figura 36 – Curvas características de dano para a mistura de 2% areia.....................47



Figura 39 – Curvas características de dano pelo fitting médio das distintas porcentagens de areia................................................................................................49

Figura 40 – Curvas de Whöhler experimentais............................................................50

Figura 41 – Envoltórias de ruptura baseados no 𝐺𝑅....................................................51

Figura 42 – Curvas de Whöhler simuladas..................................................................52

Figura 43 – Dano médio acumulado em função do tempo das 4 misturas...................53

Figura 44 – Dano médio acumulado no revestimento asfáltico a 1 mês na mistura de 0% de areia.................................................................................................................54

Figura 45 – Dano médio acumulado no revestimento asfáltico a 6 meses na mistura de 0% de areia............................................................................................................54









Figura 54 – Dano médio acumulado no revestimento asfáltico a 1 mês na mistura de

4% de areia.................................................................................................................58












Figura 66 – Correlação de dano por fadiga por E*sen(Φ)............................................63

Figura 67 – Correlação de dano por fadiga por flow number.......................................63

Figura 68 – Correlação de dano por fadiga por E*sen(Φ) sem a mistura de 2% de areia.................................................................................................................64

Figura 69 – Correlação de dano por fadiga por flow number sem a mistura de 2% de areia.................................................................................................................64

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Temperatura de mistura e de compactação para o CAP utilizado...........23

Tabela 1 – Especificação do CAP 50–70 utilizado no estudo....................................24

Tabela 3 – Porcentagem passante média dos agregados utilizados.........................24

Tabela 4 – Porcentagem passante para as diferentes frações de agregados na composição da mistura com 0% de areia...................................................................26




Tabela 8 – Parâmetros do método Bailey para cada uma das misturas....................33

Tabela 9 – Dados dos corpos de prova moldados para cada mistura.........................34

Tabela 10 – Valores de 𝑁𝑓 encontrados para as deformações ensaiadas.................49

Tabela 11 – Valores de 𝑁𝑓 encontrados para as deformações simuladas..................52

Tabela 12 – Ranking para as curvas de Wöhler experimentais...................................65

Tabela 13 – Ranking para as curvas de Wöhler simuladas.........................................65

Tabela 14 – Ranking para os resultados do FlexPAVE...............................................66

Tabela 15 – Séries de Prony para as misturas de 0%...............................................73




LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials AG Proporção de agregados graúdos ASTM American Society for Testing and Materials CAP CNT

Cimento Asfáltico de Petróleo Confederação Nacional do Transporte

CP Corpo de Prova DAER Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem DMM Densidade Máxima Medida DNIT Departamento Nacional e Infraestrutura e Transportes DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem E* Módulo Complexo FAF Proporção Fina de Agregados Finos GAF GEPPASV

Proporção Graúda de Agregados Finos Grupo de Estudo e Pesquisa em Pavimentação e Segurança Viária

LMCC Laboratório de Materiais de Construção Civil LVDT LVE

Linear Variable Differential Transformers Linear Viscoelástico

MPa Mega Pascal N Número de Ciclos RT Resistência a Tração SUPERPAVE

S-VECD Superior Performance Asphalt Pavements Simplified-Viscoelastic Continuum Damage

T Temperatura UTM Universal Testing Machine UFSM Universidade Federal de Santa Maria VV Volume de Vazios 2S2P1D Two Strings, Two Parabolics, One DashPot ε Deformação

ϕ Ângulo de Fase

@ Temperatura

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO..........................................................................................................1

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS.................................................................................1

1.2 OBJETIVO GERAL.................................................................................................2

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...................................................................................2

2 REFERENCIAL TEÓRICO........................................................................................3

2.1 MISTURAS ASFÁLTICAS......................................................................................3

2.1.1 Comportamento das misturas asfálticas ........................................................4

2.2 FADIGA EM MISTURAS ASFÁLTICAS.................................................................6

2.2.1 Ensaios de fadiga...............................................................................................8

2.2.1.1 Ensaio de tração por compressão diametral.....................................................8

2.2.1.2 Ensaio de fadiga à flexão em viga quatro pontos...............................................9

2.2.1.3 Ensaio de flexão em barras trapezoidais.........................................................10

2.2.1.4 Ensaio de tração direta....................................................................................11

2.2.2 Critérios de ruptura..........................................................................................12

2.2.3 Modelos de fadiga............................................................................................14

2.3 MODELO VISCOELÁSTICO DE DANO CONTINUO..........................................15

3. METODOLOGIA.....................................................................................................20

3.1 MATERIAIS UTILIZADOS....................................................................................21

3.1.1 Agregados minerais........................................................................................21

3.1.2 Ligante asfáltico...............................................................................................23

3.2 PROCEDIMENTOS LABORATORIAIS................................................................24

3.2.1 Composição granulométrica das misturas....................................................25

3.2.1.1 Mistura sem areia............................................................................................26

3.2.1.2 Mistura com 2% de areia.................................................................................27



3.2.1.5 Método bailey..................................................................................................32

3.2.2 Dosagem da mistura asfáltica e moldagem dos corpos de prova................33

3.2.3 Caracterização do comportamento linear viscoelástico..............................35

3.3 ENSAIOS LABORATORIAIS................................................................................38

3.3.1 Ensaio de fadiga tração direta uniaxial cíclico..............................................38

3.4 SOFTWARE FlexPAVE........................................................................................42

4. ANÁLISE DOS RESULTADOS..............................................................................46

4.1 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE DANO (C VS S).............................................46

4.2 CURVAS DE WÖHLER EXPERIMENTAIS...........................................................49

4.3 SIMULAÇÃO DE RUPTURA PELO CRITÉRIO 𝐺𝑅...............................................50

4.4 CURVAS DE WÖHLER SIMULADAS...................................................................51

4.5 SIMULAÇÃO DO COMPORTAMENTO DAS MISTURAS EM UMA ESTRUTURA DE PAVIMENTO (FlexPAVE)..............................................................53

4.6 CORRELAÇÕES ENTRE DANO POR FADIGA, RIGIDEZ E DANO POR DEFORMAÇÃO PERMANENTE................................................................................62

4.7 RANKING DOS DIFERENTES MODOS DE DEMONSTRAÇÃO DE DESEMPENHO À FADIGA.........................................................................................65

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS...................................................................................66

5.1 CONCLUSÕES.....................................................................................................66

5.2 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS......................................................66

6. REFERÊNCIAS .....................................................................................................68

APÊNDICE A – SÉRIES DE PRONY PARA AS MISTURAS DE 0, 2, 4 E 6%.........73

1

1. INTRODUÇÃO

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

No Brasil, o modal rodoviário possui uma grande importância, segundo a CNT

(2017) cerca de 61% das movimentações de carga e 95% dos deslocamentos desses

passageiros são realizados por esse modo de transporte. Com isso as rodovias devem

atender certas condições funcionais e estruturais durante sua vida de projeto para o

qual foi dimensionada.

Porém com aumento da frota e juntamente ao avanço tecnológico

automobilístico, no qual inovando com veículos que trafegam com maiores cargas,

sem uma boa fiscalização do limite legal de peso e entre outros fatores se tem vias

afetadas com ocorrência de defeitos prematuros ao tempo de projeto. As duas

patologias mais comuns nas malhas rodoviárias são o trincamento por fadiga e a

deformação permanente. Segundo Nascimento (2015) o trincamento por fadiga é um

dos defeitos mais comuns encontrados em pavimentos flexíveis no Brasil e possui

natureza complexa relacionada com o material e com as repostas estruturais dos

pavimentos.

Sabe-se que a camada responsável por resistir e transmitir os esforços

atuantes, gerados pelos veículos, até as camadas subjacentes é a camada de

concreto asfáltico, junto a isso ela deve garantir conforto e segurança aos que utilizam

as rodovias, desse modo apresentando adequada propriedades estruturais e

operacionais como: resistência à fadiga e deformação permanente, estabilidade,

impermeabilidade, aderência, durabilidade, etc. O comportamento do concreto

asfáltico é um fenômeno bastante complexo, e é profundamente influenciado pelas

características dos agregados e pelo ligante utilizado.

Nas obras rodoviárias é de uso corrrente, com o objetivo de que se atenda os

limites da curva granulométrica IV B do instituto do Asfalto Norte-Americano e adotado

pelo DAER, o uso de areia natural nas misturas asfálticas. A areia natural possui um

formato menos anguloso e mais arredondado influenciando o esqueleto mineral de

maneira distinta ao agregado britado, com isso é importante que se tenha

desenvolvimento de estudos e pesquisas para a compreensão frente a defeitos como

o trincamento a fadiga.

2

Este estudo é a continuação da pesquisa que foi iniciada por Schuster (2016)

que fez a análise da influência da areia natural nas propriedades mecânicas das

misturas asfálticas através da construção de quatro composições de dosagem

distintas, com isso realizou o ensaio uniaxial de carga repetida obtendo o parâmetro

conhecido por flow number, além de ensaios de módulo de resiliência e do ensaio de

resistência a tração por compressão diametral.

Brondani (2016) continuou o estudo realizando o ensaio de módulo complexo,

de modo a entender sobre a viscoelasticidade das misturas asfálticas, para as

mesmas quatro composições de dosagem distintas.

Este trabalho aborda o ensaio uniaxial cíclico de fadiga a tração-compressão

com a interpretação dos resultados através do modelo Simplified-Viscoelastic

Continuum Damage (S-VECD). Este método de ensaio vem sendo muito empregado

por grandes autores na modelagem do comportamento à fadiga de misturas asfálticas

(Kim et al., 2002; Hou, 2009; Underwood et al., 2002; Zeiada et al., 2013; Nascimento.,

2015; Xie & Shen, 2015)

1.2 OBJETIVO GERAL

O objetivo geral do estudo é, através de ensaios laboratoriais mecânicos, como

o ensaio uniaxial cíclico de fadiga a tração-compressão, analisar a influência da

substituição de diferentes porcentagens de agregado fino britado por areia natural, em

misturas asfálticas, de modo a inferir sobre o comportamento destas misturas em

termos de resistência a fadiga, e poder verificar a possível existência de um limite de

teor de areia nas misturas asfálticas frente a este problema.

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

a) Avaliar a influência do teor de areia na resistência a fadiga do material através do

ensaio uniaxial cíclico de fadiga a tração-compressão;

b) Aplicar o modelo viscoelástico de dano continuo simplificado (S-VECD) para a

obtenção da curva característica de dano de cada uma das misturas estudadas;

c) Analisar através do software FlexPAVE o dano médio acumulado por dano de fadiga

para diferentes porcentagens de areia.

3

2. REFERENCIAL TEÓRICO

Neste capítulo serão abordados os temas sobre o estudo realizado neste

trabalho, a fim de auxiliar o entendimento do desenvolvimento do mesmo. Os assuntos

como deformação permanente e módulo complexo, que fizeram uso dos dados

obtidos por Schuster (2016) e Brondani (2016) no capítulo de análise de resultados,

estão melhor explicados nos seus respectivos trabalhos.

2.1 MISTURAS ASFÁLTICAS

Sabe-se que uma mistura asfáltica é formada normalmente por agregados e

pelo ligante asfáltico. Os agregados possuem a função de sustentar e transferir as

cargas aplicadas pelo tráfego na superfície do pavimento. Ao mesmo tempo que o

ligante asfáltico aglutina os agregados e os mantem bem posicionados para transferir

os seus esforços para as outras camadas. Além disso possui características como

impermeabilização, flexibilidade e durabilidade.

As misturas asfálticas são classificadas em quatro misturas diferentes,

dependendo da temperatura na qual são usinadas, entre elas estão: misturas

asfálticas a quente, misturas asfálticas mornas, misturas asfálticas semimornas e

misturas asfálticas a frio (Motta, 2011). A Figura 1 estão ilustrados os diferentes tipos

de misturas asfálticas em função da temperatura de usinagem e combustível

necessário para a mesma.

4

Figura 1 – Temperatura em função do combustível na produção de misturas asfálticas

Fonte: (Motta, 2011).

2.1.1 Comportamento das misturas asfálticas

As misturas asfálticas são extremamente complexas no seu comportamento

mecânico sendo dependentes de vários fatores como: o meio ambiente, o tempo de

solicitação, histórico de tensões, entre outros.

Mangiafico (2014) ilustra que o comportamento das misturas asfálticas assume

diferentes domínios dependendo do valor dos fatores como temperatura, amplitude

das deformações, e ao número de ciclos de carga solicitados. Na Figura 2 demostra

os comportamentos em função da deformação (ε) e a temperatura (T) e na Figura 3

podemos ver os diferentes domínios em função da deformação (ε) e número de ciclos.

As misturas asfálticas em função da temperatura adquirem algumas

características. De modo que com o aumento da temperatura, há a diminuição da

viscosidade do ligantes asfáltico, acarretando a mistura uma menor rigidez. O

contrário acontece com o decréscimo de temperatura, de forma que a mistura se torna

mais rígida, em função do ligante asfáltico. A figura 2 é possível observar que a

deformação permanente (Rutting) acontece, tipicamente, a altas temperaturas e

baixas rigidezes. A fadiga (Fatigue) ocorre em baixas e a médias temperaturas, com

alta rigidez. A ilustração demonstra também ocorrência de fraturas térmicas (Thermal

5

Cracking), acontece na variação de temperatura próximo ao ponto de transição vítrea

do ligante, apresentando comportamento próximo ao elástico linear.

Quando observado a questão da influência do número de ciclos no

comportamento asfáltico, é importante que se observe dois parâmetros: A magnitude

da carga solicitada ao revestimento, visto as diferentes deformações impostas e

tempo de solicitação, pois a medida do tempo influi diretamente no domínio em que a

mistura se comporta. As misturas asfálticas por possuir propriedades viscoelásticas,

comportam-se de maneiras distintas em relação a frequência de cargas aplicadas. De

maneira que uma mistura asfáltica com alta frequência de solicitações e baixo tempo

de aplicação se mantem no domínio viscoelástico. Por outro lado, uma carga de baixa

frequência e alto tempo de solicitação ultrapassa o domínio viscoelástico, de modo a

atingir o fluxo plástico. Observa-se, na figura 3, o domínio do fenômeno de fadiga está

ligado a quantidade de ciclos de aplicação de cargas e a magnitude das deformações

causadas por essas.

Figura 2 – Domínios típicos do comportamento mecânico das misturas asfálticas em função das deformações e da temperatura

Fonte: (Mangiafico, 2014).

Segundo Soares e Souza (2003), para análises de problemas estruturais de

pavimentos asfálticos, os métodos constitutivos geralmente adotados são: elástico

linear para a camada de revestimento e elástico não-linear para as camadas

subjacentes (Soares e Souza, 2003). Contudo, alguns pesquisadores têm ressaltado

6

o quão importante considerar o comportamento viscoelástico dos materiais asfálticos

(Pinto, 1991; Park & Kim, 1998; Soares e Souza, 2003; Portela et al., 2008;

Babadopulos, 2013; Nascimento, 2015).

Figura 3 – Domínios típicos do comportamento mecânico das misturas asfálticas em função das deformações e do número de ciclos

Fonte: (Mangiafico, 2014).

2.2 FADIGA EM MISTURAS ASFÁLTICAS

O fenômeno de fadiga (Figura 4) é um dos principais defeitos encontrado nos

revestimentos asfálticos, juntamente com a deformação permanente. Esse fenômeno

é de natureza complexa, e está relacionado a uma diversa gama de fatores, entre

eles: as características estruturais do pavimento, as variáveis climáticas, a magnitude

e modo de imposição de cargas, e as próprias propriedades intrínsecas ao concreto

asfáltico.

Conforme é definido por Yoder e Witczak (1975), a fadiga é um fenômeno de

trincas induzidas por carregamento repetido do tráfego, devido a repetição dos

estados de tensão ou deformação, inferiores ao estado último de tensão ou

deformação dos materiais.

Segundo ASTM (1979) o fenômeno fadiga é o processo da mudança estrutural

permanente, progressiva e localizada que decorre em um ponto do material sujeito a

7

tensões de amplitudes variáveis gerando fissuras que podem acarretar a ruptura após

um determinado número de ciclos.

Figura 4 – Fenômeno de fadiga

Fonte: (Bernucci et al., 2008).

Pinto (1991) define que fadiga é um processo de deterioração estrutural que

sofre um material quando submetido a um estado de tensões e de deformações

repetidas, causando trincas ou até mesmo a fratura completa, após um número de

repetições suficientes do carregamento.

De acordo com Bernucci et al. (2008), o fenômeno de fadiga divide-se em três

regiões (Figura 5), a primeira delas é onde ocorrem as primeiras mudanças

microestruturais do material, a iniciação das microfissuras e se iniciam as zonas de

danos irreversíveis. Na segunda região, as microfissuras se unem, formando

macrofissuras estáveis. E na terceira região, há o crescimento das macrofissuras,

levando o material ao colapso completo rapidamente.

8

Figura 5 – Diferentes regiões do fenômeno de fadiga

Fonte: (Bernucci et al., 2008).

2.2.1 Ensaios de fadiga

O comportamento à fadiga em materiais asfálticos é determinado em

laboratório com diferentes tipos de ensaios, cada um com sua singularidade. Dentre

os exemplos de ensaios em laboratórios, temos: ensaio de tração por compressão

diametral, ensaio de flexão em barras prismáticas ou trapezoidais e ensaio de tração

direta. Nos itens subsequentes serão tratados sobre cada um desses ensaios, com

ênfase no último, o qual foi objeto de estudo desta pesquisa.

2.2.1.1 Ensaio de tração por compressão diametral

O ensaio de tração por compressão diametral foi criado pelo brasileiro chamado

Lobo Carneiro, no Rio de Janeiro, para encontrar o valor da resistência à tração

indireta de concreto de cimento Portland, usando cargas monotônicas. Devido a sua

praticidade e rapidez, esse ensaio acabou se tornando mundialmente popular

(Bernucci et al., 2008) e posteriormente foi adaptado para analisar à fadiga em

misturas asfálticas, com a aplicação de cargas cíclicas.

O ensaio consiste em um carregamento de forças diametralmente opostas de

compressão (Figura 6) sobre um cilindro que gera, ao longo do diâmetro solicitado,

tensões de tração uniforme e perpendiculares a esse diâmetro (Bernucci et al., 2008).

9

Figura 6 – Carregamento do ensaio de tração por compressão diametral

Fonte: (Brito, 2006).

A amostra é ensaiada a um carregamento com frequência de 1 ciclo por

segundo onde 0,1 s de carregamento e 0,9 s de repouso. O corpo de prova é

submetido a um estado biaxial de tensões e a frequência comumente utilizada é de

1Hz (Ceratti, 1991; Pinto, 1991).

Colpo (2014) comenta que este ensaio apresenta algumas desvantagens, por

exemplo o aparecimento de deformação permanente junto aos frisos de carregamento

durante a realização do ensaio. Com isso, faz com que o ensaio diminua o real valor

da vida de fadiga, além de não ser almejado para a avaliação do potencial de

fissuração das misturas asfálticas.

2.2.1.2 Ensaio de fadiga à flexão em viga quatro pontos

Ensaio muito utilizado nos Estados Unidos, Austrália e Europa, e segue as

normas AASHTO T-321, ASTM D7460 e europeia EN 12697:24 (Colpo, 2014). A

amostra ensaiada sofre uma aplicação de cargas verticais nos dois terços médios da

viga prismática, com a viga bi-apoiada (Figura 7), no qual submete o meio da viga um

estado de tração uniforme e um momento fletor constante com esforços cortantes

nulos. O ensaio normalmente utiliza um uma frequência de 10 pulsos por segundo no

10

qual torna o ensaio mais rápido e simula melhor as cargas geradas pelo tráfego

(Tayebali et al, 1994; Colpo, 2014).

Figura 7 – Ensaio de fadiga realizado por flexão em barras prismáticas

Fonte: (Colpo, 2014).

2.2.1.3 Ensaio de flexão em barras trapezoidais

O consiste em uma barra trapezoidal (Figura 8), engastada na base maior, é

aplicada uma força na menor extremidade da barra através de um sistema

eletromagnético, gerando assim uma deformação de tração no terço médio central

constante. Segue-se a norma francesa NF P 98-261-1 (1993) que sugere o uso de

uma frequência de 25 Hz e uma barra trapezoidal de dimensão de base maior de

56x25 mm e base maior de 25x25 mm com uma altura de 250 mm (Momm, 1998;

Loureiro, 2003; Colpo, 2014).

11

Figura 8 – Ensaio de fadiga realizado por flexão em barras trapezoidais

Fonte: (Loureiro, 2003).

2.2.1.4 Ensaio de tração direta

O ensaio de tração direta (Figura 9) é o mais moderno em análise de fadiga, e

vem sendo usado como protocolo na obtenção da curva característica de dano

utilizando o modelo VECD (Underwood et al., 2012; AASHTO, 2014; Sabouri & Kim,

2014; Zeiada et al., 2014; Nascimento, 2015; Xie & Shen, 2015; Zeiada et al., 2016;

Keshavarzi & Kim, 2016).

Estudos desenvolvidos nos estados unidos, ao longo de 20 anos,

desenvolveram uma nova técnica para a determinação de fadiga. Liderados por Y.

Richard Kim, da North Carolina State University, teve nesse estudo a possibilidade de

obter curvas experimentais por tração direta e com interpretação teórica mais

consistente (Nascimento et al., 2014)

Comparado com outros ensaios a condição de carregamento deste ensaio é de

fácil entendimento em virtude do estado uniforme de tensões e deformações induzidas

nos corpos de prova (Di Benedetto et al., 2014; Zeiada et al., 2016). Além disso,

comparando novamente a outros ensaios, é de rápido execução. Como este ensaio é

12

significativo para esta pesquisa, seu procedimento será apresentado com maiores

detalhes na metodologia.

Figura 9 – Ensaio de fadiga realizado por tração direta

Fonte: Autor

2.2.2 Critérios de ruptura

No ensaio de fadiga é relevante estipular um critério de ruptura para que se

possa obter o momento em que a mistura asfáltica entre em colapso. A seguir será

discorrido brevemente sobre alguns de critérios de ruptura estabelecidos pela

literatura. E será explicado com um pouco maior de detalhes o critério de ruptura

usado nesse estudo.

O critério de ruptura clássico, desenvolvido por Monismith & Deacon (1969),

considera que a ruptura do corpo de prova acontece quando o módulo diminui em

50% comparado ao seu valor inicial. Todavia este critério não é aceito por muitos

autores, pois esses, consideram que este critério não é um bom definidor de falha, já

13

que a capacidade de suportar dano é diferente entre cada mistura, e com isso podem

obter reduções diferentes do modulo na ruptura (Rowe, 1993; Zhang et al, 2013;

Babadopulos et al, 2018).

Alguns autores usam a energia dissipada como parâmetro para o critério de

ruptura. Por exemplo Pronk & Hopman (1991) propõem um critério em que a falha é

determinada quando o crescimento da taxa de energia em função do número de ciclos

deixa de ser linear. Rowe & Bouldin (2000) propõe um gráfico de taxa de energia

reduzida, que seria o produto do número de ciclos pela rigidez da amostra neste ciclo.

De modo que a ruptura se define no ponto de abscissa máxima no gráfico de energia

versus número de ciclos

Existe, também, ensaios como o de fadiga por compressão diametral que seu

critério de ruptura é menos detalhista, somente considera o rompimento total da

amostra não havendo muito rigor (Tayebali et al., 1994).

O critério de ruptura utilizado nessa pesquisa, apresentado por Reese (1997),

é a queda do ângulo de fase. Critério de ruptura utilizado em ensaios de dano continuo

viscoelástico. O colapso é determinado no pico do ângulo de fase (Figura 10). Isso

acontece pois quando o corpo de prova, durante o ensaio, vai danificando e formando

microtrincas a elasticidade do material vai diminuindo e com isso ângulo de fase

cresce. Porém quando o corpo de prova cessa o acumulo de dano, normalmente pela

formação de uma macrotrinca, o ângulo de fase decai. Logo no ponto onde há a troca

desse crescimento é considerado o ponto de ruptura da amostra (Zhang et al., 2013).

Porém esse critério não é considerado como uma previsão de fadiga, apenas um

critério de falha.

14

Figura 10 – Critério de ruptura por queda do ângulo de fase

Fonte: Adaptado de Babadopulos (2014)

2.2.3 Modelos de fadiga

Modelos de fadiga são utilizados para analisar o desempenho à fadiga, em

laboratório, para que seja possível determinar a ruptura em campo. Esses modelos

baseiam-se em determinados parâmetros que sejam consideráveis no desempenho

das misturas asfálticas. A maioria dos modelos de desempenho de fadiga baseiam

em deformação e energia dissipada, as vezes acrescentando, ou não, uma outra

variável. Essas variáveis podem ser: rigidez na flexão, perda de rigidez e algumas

propriedades volumétricas das misturas (Baburamani, 1999 apud Mocelin, 2018). A

seguir (Figura 11) estão alguns exemplos de modelos de fadiga de alguns estudos

laboratoriais.

O shift-factor é um fator de correlação entre desempenho de laboratório e

campo, pois não se tem o controle das variáveis de carregamento e ambientais em

campo, como em laboratório.

15

Figura 11 – Exemplos de modelos de fadiga

Fonte: (Mocelin, 2018).

2.3 MODELO VISCOELÁSTICO DE DANO CONTÍNUO

A necessidade de uma ferramenta capaz de caracterizar o dano por fadiga de

forma precisa e eficiente, e que fosse capaz de prever o mesmo, fez com que diversas

pesquisas se direcionassem na tentativa de unir o comportamento viscoelástico das

misturas asfálticas com alguma teoria que fosse capaz de representar o acúmulo de

dano no material. Desta forma, surge o VECD, que busca analisar o desempenho das

misturas, trazendo uma propriedade desta em relação ao dano por fadiga, em um

protocolo de ensaios rápido e de grande acurácia, simplificando a previsão do

fenômeno fadiga em campo.

Segundo Nascimento (2015), um modelo de previsão do dano por fadiga deve

possuir dois componentes principais a utilização em projeto de pavimentos, que são:

Uma relação de crescimento de dano que descreve como ele evolui em função do

16

carregamento e da temperatura; um critério de ruptura que possa ser utilizado para

definir a vida de fadiga do concreto asfáltico.

A mecânica do dano contínuo, ou Viscoelastic Continuum Damage (VECD),

utiliza propriedades fundamentais das misturas asfálticas para efetivamente

caracterizar seu comportamento através de um programa experimental simplificado.

Trata-se de uma abordagem funcional, embora sua teoria seja envolvente, a qual

assume algumas simplificações que praticamente não reduzem sua capacidade

preditiva, ao mesmo tempo em que aumentam enormemente a aplicação do modelo

na caracterização da vida de fadiga de misturas asfálticas (Hou et al, 2010).

As teorias de dano contínuo, entre elas o modelo VECD, ignoram

comportamentos específicos de microescala e se propõem a caracterizar o material

usando observações a nível de macroescala, ou seja, o consequente efeito que

mudanças micro estruturais provocam em propriedades observáveis. Os dois

parâmetros essenciais que a teoria do dano contínuo busca quantificar são a rigidez

e o dano efetivo.

A curva característica de dano é o principal resultado do modelo VECD, que é

uma propriedade do material asfáltico que independe das condições do ensaio. Esta

curva correlaciona a integridade do material ou pseudo-rigidez (C) em função do dano

acumulado (S), descritos pelas Equações 1 e 2 (Nascimento et al., 2014)

𝐶 =𝜎

𝜀𝑅 (1)

Onde:

σ = tensão;

𝜀𝑅 = pseudo-deformação.

𝑑𝑆𝑖 = (−1

2(𝜀𝑅)𝑖

2𝛥𝐶𝑖)

𝛼1+𝛼

(𝛥𝜉)𝑖

11+𝛼

(2)

Onde:

ξ = tempo reduzido;

α = taxa de evolução do dano (1

𝑚+1), sendo m a inclinação máxima do módulo de

relaxação em função do tempo reduzido no espaço log-log;

17

𝜀𝑅 = pseudo-deformação, que pode ser calculada fazendo uso da integral de

convolução, demonstrado na Equação 3.

𝜀𝑅 =1

𝐸𝑅∫ 𝐸(𝜉 − 𝜏)

𝜉

0

𝑑𝜀

𝑑𝜏𝑑𝜏

(3)

Onde:

𝐸(𝜉) = modulo de relaxação viscoelastico linear do material;

ε = deformação medida;

𝐸𝑅 = modulo de referência, usualmente definido com unitário.

A curva característica de dano independe se o ensaio de dano é cíclico ou

monotônico, com controle de tensão ou de deformação, com diferentes amplitudes,

frequência ou temperaturas, ela será a mesma para uma temperatura reduzida como

referência (Nascimento et al., 2014). A Figura 12 apresenta um exemplo de curva C

vs. S no qual se obtém a mesma relação de perda de integridade por dano acumulado

para diferentes deformações.

Figura 12 – Exemplo de curva característica de dano com diferentes deformações

Fonte: (Nascimento, 2015).

18

Porém as Equações 1 e 2 precisam que a pseudo-rigidez (C), dano (S) e

pseudo-deformação (𝜀𝑅) sejam calculadas para todo carregamento realizado no

ensaio, todavia para um ensaio monotônico é simples, mas para um carregamento

cíclico é um pouco mais difícil. Com isso Underwood e Kim (2009) simplificam a

metodologia para a utilização em ensaios cíclicos, conhecida como Simplified VECD

(S-VECD). Começa pelo cálculo da pseudo-deformação que no caso de utilizar a

Equação 3 assume-se a condição de steady-state, fazendo o produto entre a

deformação e modulo dinâmico (Nascimento et al., 2014). Equação 4 apresenta o

novo cálculo de pseudo-deformação e a Equação 5 o de dano.

(𝜀0,𝑡𝑎𝑅 )

𝑖=

1

𝐸𝑅∙

𝛽 + 1

2((𝜀0,𝑝𝑝)

𝑖∙ |𝐸∗|𝐿𝑉𝐸)

(4)

Onde:

β = fator utilizado para quantificar a duração de um dado ciclo de carga sob tração (1

para tração total, 0 para carga totalmente revertida e -1 para compressão total

𝜀0,𝑝𝑝 = amplitude de deformação total (pico a pico)

|𝐸∗|𝐿𝑉𝐸 = modulo dinâmico viscoelástico linear do material

𝑑𝑆𝑖 = (−1

2(𝜀0,𝑡𝑎

𝑅 )𝑖

2𝛥𝐶𝑖

∗)

𝛼1+𝛼

∙ (𝛥𝜉𝑃)𝑖

11+𝛼 ∙ (𝐾1)

11+𝛼

(5)

Onde:

𝐶∗ = pseudo-rigidez baseado no seu valor no carregamento cíclico

𝛥𝜉𝑃 = intervalo de tempo reduzido do pulso de carga

𝐾1 = fator de ajuste

O parâmetro 𝐾1 é usado visto que as medidas de pseudo-deformação, no

cálculo, são assumidas que são constantes durante o longo ciclo, porém isso não

ocorre. Então partindo do princípio que o crescimento de dano num ciclo é pequeno,

determina o valor de 𝐾1 pela Equação 6 (Underwood et al., 2009 apud Nascimento et

al., 2014).

19

𝐾1 = 1

𝜉𝑓 − 𝜉𝑖∫ (𝑓(𝜉))

2𝛼

𝜉𝑓

𝜉𝑖

𝑑𝜉

(6)

Onde:

𝜉𝑖 = tempo reduzido de inicio da tensão de tração (de dano) para um dado ciclo

𝜉𝑓 = tempo reduzido de fim da tensão de tração (de dano) para um dado ciclo

𝑓(𝜉) = histórico de carregamento (tensão)

Dessa forma a ordem de cálculo fica que o primeiro ciclo se utiliza o cálculo da

Equação 2 e os seguintes ciclos é utilizado a Equação 5, sendo um primeiro um

cálculo mais rigoroso e segundo uma abordagem mais simplificada. Assim as curvas

características de dano são obtidas pelas Equações 7 e 8, representadas por um

gráfico de uma função exponencial e um modelo de potência (Nascimento et al.,

2014).

𝐶(𝑆) = 𝑒𝑎𝑆𝑏 (7)

Onde:

a e b = constantes

𝐶(𝑆) = 1 − 𝐶11𝑆𝐶12 (8)

Onde:

𝐶11 e 𝐶12 = constantes

20

3. METODOLOGIA

Para a melhor compreensão do estudo a respeito da influência do uso de areia

natural nas misturas asfálticas, referente a resistência a fadiga, moldou-se em

laboratório 20 corpos de prova, distribuídos em 4 faixas de composição distintas.

Alterou-se apenas a porção de agregados miúdos em 3 delas, substituindo nelas

porcentagens de areia natural na fração de agregado britado.

As misturas ficaram com as seguintes condições de avaliação: a primeira

mistura, ficou com 100% dos agregados miúdos constituídos de agregados britados;

a segunda mistura, teve sua parcela miúda modificada com 2% de sua quantia com

areia natural; a terceira mistura, teve 4% de areia natural inserida na porcentagem do

miúdo; a quarta mistura, teve a maior fração substituída das quatro mistura, em que

teve 6% de areia natural na mistura de finos. Salientando que todas as trocas

ocorreram respectivamente na fração fina da mistura. A parcela graúda continuou a

mesma em todas as quatro misturas para assim reduzir qualquer tipo de efeito que

influenciasse sobre os ensaios.

O ligante asfáltico usado foi o CAP 50/70, para todas as faixas de composição

granulométrica dosadas. Além disso, todos os corpos de prova foram moldados de

modo que fossem os mais similares possíveis, alterando-se somente a parcela fina do

material, de tal modo que emanamos na condição de conseguir isolar o efeito da

textura do agregado fino no comportamento referente as deformações permanentes

das misturas asfálticas.

Determinou-se a composição granulométrica dos agregados utilizados de tal

modo que a linha de composição da mistura granulométrica (seguir) alguns

parâmetros pressupostos, como: enquadra-se dentro dos limites da Faixa C do DNIT,

dentro da Faixa B do DAER-RS, e não passar sobre a zona de restrição proposta pelo

programa SUPERPAVE.

Com a composição granulométrica da mistura estabelecida, separou-se os

agregados em 10 frações distintas, além da areia natural. Posteriormente estes foram

lavados e secos, com exceção do filler. Após o material limpo procedeu-se com os

dados obtidos pela metodologia Marshall feita por Schuster (2016), onde foi

encontrado o teor de ligante ótimo de projeto. Devido a semelhança muito grande dos

teores de ligante de projeto encontrados para as quatro diferentes misturas, resolveu-

21

se fixar o teor de ligante, de modo que o volume de vazios então apresentasse uma

pequena variação.

Com o teor de ligante fixado, moldaram os 20 corpos de prova para o ensaio

de fadiga à tração direta. Após todas as moldagens concluídas foi executado o ensaio

proposto e então obtidos os dados necessários para a análise dos resultados, que se

apresentam expostos no Capítulo 4. Em sequência segue o processo metodológico

com maiores detalhes e esclarecimentos.

3.1 MATERIAIS UTILIZADOS

Os materiais de pesquisa utilizados neste trabalho, foram os mesmos que os

de Schuster (2016) e Brondani (2016). Esses retirados de locais perto de

empreendimentos a serem executados e muito usado em obras de infraestrutura

rodoviária. Foram os agregados minerais proveniente de duas localizações diferentes,

em uma delas foi retirado o agregado basáltico britado, e em outra a areia natural.

Fez-se uso também do ligante asfáltico CAP 50-70.

3.1.1 Agregados Minerais

Os agregados minerais são de suma importância na composição do

revestimento asfáltico, e para que possam ser bem utilizados, devem possuir

propriedades a fim de que as mesmas possam suportar tensões que lhes são

impostas, gerando assim estruturas duráveis em sua vida de serviço.

Os agregados escolhidos para este estudo dividem-se em dois grupos, distintos

em diversos fatores, entre eles a composição mineralógica e o modo de obtenção.

O primeiro deles, o qual representa a maior parcela dos agregados minerais

utilizados, foi obtido através do processo de britagem de rocha basáltica, encontrada

na região geomorfológica da depressão central, e coletado diretamente na unidade de

produção do mesmo, sendo este cedido pelo grupo Triunfo-Concepa, com a pedreira

localizada na Rodovia BR 290, Km 30, no município de Santo Antônio da Patrulha –

RS (Figura 13).

22

Figura 13 – Pedreira Concepa – As margens da BR 290 – Km 30 – Santo Antônio da Patrulha – RS

Fonte: Google Earth

O segundo grupo de agregados minerais diz respeito a areia utilizada no

estudo. A areia é obtida de forma natural através de um processo de intemperismo

físico e químico que incide sobre esta ao longo de milhares de anos, de tal forma que

suas partículas apresentam superfície mais arredondada que os agregados britados.

A areia foi adquirida junto a empresa Arenal Comercial de Areia, localizada na BR

392, Km 343, no município de Santa Maria – RS.

Foram utilizados para a composição das misturas, as frações de agregado 3/4’’,

3/8’’, e pó de pedra para o material britado, e a fração passante na peneira #4 do

material areia. Na Figura 14 observa-se sem a utilização de escala, na fração retida

na peneira #80, as diferente texturas e angularidade de ambos os agregados, fato

pressuposto neste estudo.

23

Figura 14 – Agregados retidos na peneira #80 utilizados no estudo

a) Areia natural b) Areia britada

Fonte: (Schuster, 2016).

3.1.2 Ligante Asfáltico

Para esta pesquisa, utilizou-se o ligante asfáltico CAP 50-70, comumente

encontrado nas misturas asfálticas brasileiras. Este, foi caracterizado através do

ensaio de Brookfield de maneira a se obter as temperaturas de mistura e compactação

para este ligante, conforme mostrado na Tabela 1. Além deste, segue também o laudo

emitido pela refinaria Alberto Pasqualini (REFAP), responsável pelo refino e

distribuição deste ligante, com as especificações do CAP na Tabela 2.

Tabela 1 – Temperatura de mistura e de compactação para o CAP utilizado

Viscosidade Rotacional

(Pa.s) Temperatura

(°C) Temperatura Utilizada

(°C)

Mistura 0,15 - 0,19 146 - 152 149

Compactação 0,25 - 0,30 134 - 140 137


24

Tabela 2 – Especificação do CAP 50-70 utilizado no estudo

Especificação do CAP 50-70

Características Especificação Resultado

Penetração (mm) 50 a 70 53

Ponto de Amolecimento (°C) ≥ 46 49,2

Viscosidade Brookfield a 135°C, SP 21 (cP) ≥ 274 328

Viscosidade Brookfield a 150°C, SP 21 (cP) ≥ 112 157

Viscosidade Brookfield a 177°C, SP 21 (cP) 57 a 285 63

RTFOT Penetração Retida (%) ≥ 55 70

RTFOT Aumento do Ponto de Amolecimento (°C) ≤ 8 3,8

RTFOT Ductilidade a 25°C (cm) ≥ 20 147

RTFOT Variação em % Massa (%) -0,5 a 0,5 0,057

Ductilidade a 25°C (cm) ≥ 60 147

Solubilidade no Tricloroetileno (% massa) ≥ 99,5 100

Ponto de Fulgor (°C) ≥ 235 236

Índice de Suscetibilidade Térmica -1,5 a 0,7 -1,3 Fonte: REFAP – Refinaria Alberto Pasqualini – Canoas – RS

3.2 PROCEDIMENTOS LABORATORIAIS

Após a obtenção dos materiais a serem utilizados, deu-se início a fase de

execução das etapas em laboratório. Em um primeiro momento foi obtida as curvas

granulométricas dos agregados pétreos utilizados, vide Tabela 3 e Figura 15.

Tabela 3 – Porcentagem passante média dos agregados utilizados

Porcentagem passante média

Peneira mm Brita 3/4'' Brita 3/8'' Pó de Pedra

Areia Fina

1 1/2" 38,1 100 100,00 100,00 100,00

1" 25,4 100 100,00 100,00 100,00

3/4" 19,1 97,51 100,00 100,00 100,00

1/2" 12,7 46,05 100,00 100,00 100,00

3/8" 9,5 6,26 95,39 100,00 100,00

n 4 4,8 0,17 7,59 96,43 100,00

n 10 2 0,17 0,54 65,92 99,01

n 40 0,42 0,16 0,52 32,58 58,45

n 80 0,18 0,16 0,51 17,75 18,88

n 200 0,075 0,15 0,49 11,09 3,15 Fonte: (Schuster, 2016).

25

Figura 15 – Curvas Granulométricas dos agregados utilizados


Separou-se então os agregados de acordo com as peneiras do DNIT, e

posteriormente lavou-se estes até a malha #200.

3.2.1 Composição granulométrica das misturas

Sabendo da considerável interferência que diferentes granulometrias

emanariam nos resultados, buscou-se a construção de composições que

apresentassem a maior similaridade possível. A parcela graúda do agregado

permaneceu a mesma para todas as composições, de modo a mitigar qualquer efeito

que esta poderia vir a influenciar.

Deste modo, todos os corpos de prova foram moldados de modo que fossem

os mais similares possíveis, alterando-se somente a parcela fina do material, de tal

sorte que viemos a isolar o efeito da superfície do agregado fino no comportamento

referente as deformações permanentes das misturas asfálticas.

Fixou-se primeiramente que a composição deveria atender os limites da Faixa

C do DNIT e da Faixa B do DAER-RS, atender os critérios do método de Bailey, e não

passar sobre a zona de restrição proposta pelo programa SUPERPAVE.

Conforme apresentava-se a granulometria dos agregados, determinou-se as

respectivas porcentagens para cada uma das frações, de modo que fossem satisfeitas

26

as condições impostas. Assim, apresentam-se abaixo as quatro misturas

granulométricas utilizadas para o estudo.

3.2.1.1 Mistura sem areia

A mistura dosada sem adição de areia foi constituída por um total de 27% de

brita 3/4’’, 15% de brita 3/8’’, e 58% de pó de pedra, conforme mostra a Tabela 4 e a

Figura 16.

Tabela 4 – Porcentagem passante para as diferentes frações de agregados na composição da mistura com 0% de areia

Composição da mistura

% mistura 27% 15% 58% 0%


Areia Fina

1 1/2" 38,1 27,00 15,00 58,00 0,00

1" 25,4 27,00 15,00 58,00 0,00

3/4" 19,1 27,00 15,00 58,00 0,00

1/2" 12,7 12,43 15,00 58,00 0,00

3/8" 9,5 1,69 14,31 58,00 0,00

n 4 4,8 0,05 1,14 55,93 0,00

n 10 2 0,05 0,08 38,23 0,00

n 40 0,42 0,04 0,08 18,90 0,00

n 80 0,18 0,04 0,08 10,30 0,00

n 200 0,075 0,04 0,07 6,43 0,00 Fonte: (Schuster, 2016).

Como pode ser visto na Figura 16, a composição da mistura se enquadra dentro

da Faixa C do DNIT, dentro da Faixa B do DAER e passa acima da zona de restrição

do programa SUPERPAVE.

27

Figura 16 – Curva granulométrica da mistura com 0% de areia


3.2.1.2 Mistura com 2% de areia

Para esta mistura, continua-se com as mesmas porcentagens das frações 3/4’’

e 3/8’’, e permuta-se 2% de pó de pedra por areia fina, de modo que temos como

resultado 56% de pó de pedra e 2% de areia fina. Conforme mostra a composição da

mistura na Tabela 5 e Figura 17.

Assim, pode-se perceber que a mistura com 2% de areia também respeitou os

limites propostos para a Faixa C do DNIT e B do DAER, além de não passar sobre a

zona de restrição.

28


Composição da Mistura

% mistura 27% 15% 56% 2%


Areia Fina

1 1/2" 38,1 27,00 15,00 56,00 2,00

1" 25,4 27,00 15,00 56,00 2,00

3/4" 19,1 27,00 15,00 56,00 2,00

1/2" 12,7 12,43 15,00 56,00 2,00

3/8" 9,5 1,69 14,31 56,00 2,00

n 4 4,8 0,05 1,14 54,00 2,00

n 10 2 0,05 0,08 36,92 1,98

n 40 0,42 0,04 0,08 18,24 1,17

n 80 0,18 0,04 0,08 9,94 0,38

n 200 0,075 0,04 0,07 6,21 0,06 Fonte: (Schuster, 2016).



29


Continuou-se aqui com as frações 3/4’’ e 3/8’’ fixas em 27% e 15%

respectivamente e permutamos então 4% de material pó de pedra por areia fina, de

modo que obtemos as porcentagens de 54% de pó de pedra e 4% de areia fina,

conforme apresentado na Tabela 6 e na Figura 18 abaixo.


Composição da Mistura - Porcentagem

Passante

% mistura 27% 15% 54% 4%


Areia Fina

1 1/2" 38,1 27,00 15,00 54,00 4,00

1" 25,4 27,00 15,00 54,00 4,00

3/4" 19,1 27,00 15,00 54,00 4,00

1/2" 12,7 12,43 15,00 54,00 4,00

3/8" 9,5 1,69 14,31 54,00 4,00

n 4 4,8 0,05 1,14 52,07 4,00

n 10 2 0,05 0,08 35,60 3,96

n 40 0,42 0,04 0,08 17,59 2,34

n 80 0,18 0,04 0,08 9,59 0,76

n 200 0,075 0,04 0,07 5,99 0,13 Fonte: (Schuster, 2016).

Visto o que se apresenta na Tabela 6 e na Figura 18, podemos perceber que a

mistura com 4% de areia na fração miúda também se enquadrou dentro das faixas de

trabalho adotadas e respeito a zona de restrição do programa SUPERPAVE.

30




Para a mistura com 6% de areia, as parcelas de brita 3/4’’ e brita 3/8’’ se

mantiveram fixas em 27% e 15% respectivamente, enquanto através de permutação

dos materiais a fração pó de pedra representa 52% da mistura e a areia fina 6%, como

pode ser visto na Tabela 7 e na Figura 19.

Desta forma, a mistura com 6% de areia natural também se manteve dentro

das faixas de trabalho adotadas para esta pesquisa, além de não passar sobre a zona

de restrição proposta pelo programa SUPERPAVE.

31


Composição da Mistura - Porcentagem

Passante

% mistura 27% 15% 52% 6%


Areia Fina

1 1/2" 38,1 27,00 15,00 52,00 6,00

1" 25,4 27,00 15,00 52,00 6,00

3/4" 19,1 27,00 15,00 52,00 6,00

1/2" 12,7 12,43 15,00 52,00 6,00

3/8" 9,5 1,69 14,31 52,00 6,00

n 4 4,8 0,05 1,14 50,14 6,00

n 10 2 0,05 0,08 34,28 5,94

n 40 0,42 0,04 0,08 16,94 3,51

n 80 0,18 0,04 0,08 9,23 1,13

n 200 0,075 0,04 0,07 5,77 0,19 Fonte: (Schuster, 2016).



32

3.2.1.5 Método Bailey

Com as quatro misturas distintas construídas, plota-se as curvas de

composição granulométrica sobrepostas umas às outras, de maneira a melhor

visualizar a semelhança entre elas (Figura 20). Além disso, visando também uma

melhor resistência as deformações permanentes da mistura, enquadrou-se dentro do

possível todas as quatro misturas aos critérios propostos pelo método Bailey,

conforme pode ser visto na Tabela 8.

Figura 20 – Composição granulométrica das quatro misturas utilizadas durante o estudo


Conforme os dados do ajuste Bailey vistos na sequência, pode-se perceber que as

quatro distintas misturas se assemelham fortemente no que se refere a granulometria

dos agregados empregados, podendo assim precaver-se de que a composição

granulométrica não veio a exercer influência sobre os resultados encontrados durante

a pesquisa.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,01 0,1 1 10 100

Po

rce

nta

ge

m R

etida

(%

)

Po

rce

nta

ge

m P

assan

te (

%)

Diâmetro dos Grãos (mm)

Limites DNIT C

Limites DAER B

0% Areia

2% Areia

4% Areia

6% Areia

200 80 4 10 4Peneir 3/4"3/8"

33

Tabela 8 – Parâmetros do método Bailey para cada uma das misturas

Mistura

Limites Proporção 0% 2% 4% 6%

0,6 - 0,75 AG 0,65 0,65 0,64 0,64

0,35 - 0,5 GAF 0,50 0,51 0,51 0,52

0,35 - 0,5 FAF 0,52 0,52 0,52 0,52

3.2.2 Dosagem da mistura asfáltica e moldagem dos corpos de prova

Foi utilizado a mesma dosagem dos trabalhos de Schuster (2016) e Brondani

(2016) que foi obtido pela metodologia Marshall. No qual Schuster (2016) moldou 48

corpos de prova e realizou os ensaios de Rice, encontrando o teor de ligante ótimo a

partir de um volume de vazios de 4%. Seguindo a norma DNER - ME 043 (1995),

Schuster (2016) encontrou como teor de ligante ótimo o valor de 4,85%.

Desta forma para o ensaio de tração direta foram moldados 20 corpos de prova,

de maneira que cada mistura possuísse três valores de ensaio. Utilizou-se o mesmo

teor de ligante e recalculou-se a massa de agregados, de modo que apresentassem

amostras com dimensões de 150mm de altura por 100mm de diâmetro, e possuíssem

5,5%±0,5% de volume de vazios.

Na Tabela 9 são demonstrados os dados dos corpos de provas moldados para

cada uma das diferentes porcentagens de areia. Os corpos de prova 4 e 6 foram

descartados por não obterem o volume de vazio de norma.

Para a moldagem destes corpos de prova foi utilizado o misturador da marca

InfraTest testing systems, modelo Bituminous Laboratory Mixer 30 Liter Special

Version 380V 60 Hz 3Ph with neutral wire/conductor (Figura 21), e o compactador

giratório Superpave (IPC Servopac) (Figura 22).

34

Tabela 9 – Dados dos corpos de prova moldados para cada mistura

MISTURA CP DMM P. AR (g) P.SUB (g) P.SUP.SECA (g) D. APARE VV (%)

0% AREIA

1 2,568 2976,6 1765,8 2982,6 2,44 5,02

2 2,568 2970,6 1752,0 2975,4 2,42 5,72

3 2,568 2969,7 1750,7 2975,0 2,42 5,82

4 2,568 2970,6 1773,9 2984,2 2,45 4,57

5 2,568 2980,8 1755,4 2982,9 2,42 5,71

2% AREIA

6 2,568 2973,9 1769,5 2978,4 2,45 4,48

7 2,568 2975,6 1769,4 2986,3 2,44 5,06

8 2,568 2970,6 1758,2 2975,0 2,43 5,21

9 2,568 2973,5 1754,3 2978,0 2,42 5,65

10 2,568 2975,2 1754,0 2977,8 2,42 5,60

4% AREIA

11 2,568 2971,7 1760,0 2976,7 2,44 5,17

12 2,568 2967,8 1760,2 2975,5 2,43 5,18

13 2,568 2970,1 1752,5 2974,7 2,42 5,60

14 2,568 2968,5 1757,2 2975,4 2,43 5,38

15 2,568 2965,2 1744,8 2969,8 2,41 6,00

6% AREIA

16 2,568 2976,8 1766,8 2984,2 2,44 5,06

17 2,568 2972,4 1762,3 2977,4 2,44 5,02

18 2,568 2972,8 1761,9 2979,4 2,44 5,19

19 2,568 2967,4 1745,8 2971,5 2,42 5,92

20 2,568 2968,7 1747,1 2970,8 2,42 5,80

Figura 21 – Misturador InfraTest no LMCC (UFSM)

Fonte: Autor.

35

Figura 22 – Compactador Servopac no LMCC (UFSM)

Fonte: Autor

3.2.3 Caracterização do comportamento linear viscoelástico

O comportamento LVE foi obtido por Brondani (2016) por meio do ensaio de

módulo complexo e da modelagem 2S2P1D. As curvas mestras de módulo dinâmico

e ângulo de fase obtidas pela autora encontram-se nas Figuras 23 a 25.

Através da modelagem do comportamento linear viscoelastico obtido por

Brondani (2016) realizou-se o procedimento de conversão dos dados do modelo

2S2P1D para o modelo de representação por series de Prony. O comportamento LVE

caracterizado através de series de Prony será utilizado como input de dados para o

modelo S-VECD e junto com os dados de ensaio para verificação do dano por fadiga.

Os dados de series de Prony estão no apêndice A, ao final do trabalho, para

visualização.

36

Figura 23 – Comparação das curvas mestras de módulo dinâmico para todas as

misturas (@ 21°C)

Fonte: (Brondani, 2016).

Com a figura 23 é possível observar um aumento do módulo dinâmico com o

aumento da frequência. A altas frequências a mistura asfáltica tem uma menor

exposição a carga, portanto tende ocorrer menores deformações viscoelásticas e o

aumento da deformação elástica na mistura, visto que o módulo dinâmico aumenta.

Para baixas frequências com aumento do tempo de carregamento, apresentam

menores valores de modulo dinâmico, como é visto na figura 24. A deformação

permanente está correlacionadaa a baixas frequências e a fadiga nas frequências

intermediarias.

37

Figura 24 - Curvas mestras de módulo dinâmico nas baixas frequências


Figura 25 – Comparação das curvas mestras de ângulo de fase para todas as misturas (@ 21°C)


38

A figura 25 mostra que a altas frequências se tem um baixo ângulo de fase

caracterizando a mistura com um comportamento quase elástico. Observa-se que a

mistura a 6% possui o maior ângulo de fase por um longo espectro de frequência.

3.3 ENSAIOS LABORATORIAIS

Depois de todos os corpos de prova moldados, no total de 20 amostras, foi passado

para etapa de ensaio na prensa Universal Testing Machine (UTM - 25). Essa fica

localizada no GEPPASV, anexo ao LMCC na Universidade Federal de Santa Maria.

3.3.1 Ensaio de fadiga tração direta uniaxial cíclico

O ensaio de fadiga a tração direta foi ensaiado utilizando o equipamento

Universal Testing Machine (UTM-25) (Figura 26), da IPC Global, para as quatro

misturas. Esse seguiu a norma AASHTO TP 107-14 (Standard Method of Test for

Determining the Damage Characteristic Curve of Asphalt Mixtures from Direct Tension

Cyclic Fatigue Tests), sendo adaptado algumas peças para que seja realizado o

carregamento tração-compressão. Desenvolvimento e instalação das peças na

máquina estão explicadas na tese de doutorado de Boeira (2018), pesquisador que

desenvolveu os utensílios para a realização do ensaio de tração-compressão na

UFSM.

O ensaio consiste na aplicação, em um corpo de prova de mistura asfáltica, de

uma deformação cíclica senoidal, de amplitude constante, até que a amostra entre em

colapso. Além da obter a informação da deformação o ensaio monitora-se ainda a

carga, o ângulo de fase e o modulo dinâmico (NASCIMENTO et al., 2014).

A amostra é ensaiada em uma frequência de 10 Hz e uma temperatura de 19ºC

variando somente a amplitude de deformação. Para execução do ensaio, as amostras

devem possuir um volume de vazios de 5,5% ± 0,5% e suas dimensões devem ter

100mm de diâmetro e 130mm de altura.

39

Figura 26 – Equipamento Universal Testing Machine (UTM-25)

Fonte: Autor

Após a moldagem os CPs foram retificados (Figura 27) para a obtenção das

dimensões finais de ensaio de 100x130 mm. Logo após a retificação foram colocados

três pares de pinos, que possuem a função de base para os LVDTs (Figura 28).

Figura 27 – Retificação da superfície dos corpos de prova

Fonte: (Almeida Junior, 2016)

40

Figura 28 – Colagem dos pinos nos corpos de prova

Fonte: Autor.

Depois disso foram colados os corpos de prova com a cola epóxi (Figura 29)

nas placas, utilizando um gabarito que fixa o topo e base em alinhamento (Figura 30).

Esse alinhamento serve para que ocorram somente tensões normais durante o

ensaio. Após fixarem as placas é esperado 24 horas, até que a cola ganhe uma boa

resistência. Então é inserido e conectado todo o aparato na UTM-25 com uso de

parafusos e rotula de tração. Foram utilizados 3 corpos de prova por mistura no

ensaio, cada ensaio para um tipo de deformação que foram de: 150, 200 e 250

microstrain (µε).

41

Figura 29 – Cola epóxi no corpo de prova

Fonte: Autor.

O ensaio e divido em duas etapas: O primeiro passo do ensaio é o fingerprint

que seria um miniensaio de módulo complexo. Esse ensaio consiste em pequenas

deformações, entre 50 e 75 microstrains (µε), para medir o modulo dinâmico

(|E*|fingerprint) a 19ºC na frequência de 10 Hz. As pequenas deformações mantem o

material no domínio linear viscoelástico para que se garanta que o material não sofra

dano. O ensaio de fingerprint tem objetivo de analisar a variabilidade das amostras

ensaiadas a fadiga e a modulo complexo.

Após o fingerprint é executado o ensaio de tração-compressão, em que o

atuador da prensa é programado para atingir deslocamentos de pico constante em

cada ciclo de carga, levando a amostra a deformação pré-determinada para ensaio.

Esta programação é feita, usando um processo iterativo, aplicando diferentes tipos de

deslocamentos e verificando níveis de deformação nos LVDTs. Essa iteração cessa

quando se encontra o deslocamento que atinja a deformação que ser quer ensaiar.

42

Figura 30 – Corpo de prova colado nas placas utilizando o gabarito

Fonte: Autor.

Finalizado o ensaio, foram extraídos os resultados que são gerados pelo

Software da prensa, para que fossem processados no MATLAB. Com isso foi obtido,

com o uso do MATLAB e do Excel, as Curvas Características de Dano para cada um

dos CPs. Com os dados foi possível obter, também, as curvas de Wöhler, que

consistem num gráfico de deformação, medidos pelos LVDTs da prensa, por números

de ciclos que o CP recebeu até sua ruptura.

3.4 SOFTWARE FlexPAVE

Para as quatro misturas deste estudo, foram simulados, por meio de um do

software FlexPAVE 1.0𝐴𝐿𝑃𝐻𝐴, desenvolvido pela NCSU (North Carolina State

University) juntamente com FHWA (Federal Highway Administration), uma situação

real de carregamento do tráfego para um período de análise de 10 anos. O programa

43

de software FlexPAVE é uma ferramenta de análise de desempenho de pavimentos

baseada em um eficiente framework. O software faz uso de dados obtidos pelo modelo

S-VECD, afim de emular a reposta do pavimento sob ações de cargas impostas pelo

tráfego e pelas variáveis climáticas. A simulação foi feita apenas para o dano de

trincamento por fadiga, não contando outros tipos de patologias.

A estrutura simulada no software consistiu em uma camada de concreto

asfáltico de 10 centímetros, uma base de brita graduada de 15 centímetros e módulo

de 202 MPa, uma sub-base de 20 centímetros e módulo de 197 MPa e um subleito

com módulo 84 MPa para todas as quatro misturas. Porém no revestimento asfáltico

as características foram distintas, inserindo as informações retiradas da metodologia

S-VECD para cada uma das misturas (Figura 31).

Figura 31 – Aba do software com as características do revestimento asfáltico

Fonte: Autor.

Foi utilizado o critério de ruptura do 𝐺𝑅 para a previsão da falha por fadiga. As

informações do comportamento viscoelástico do revestimento asfáltico foram retiradas

das séries de Prony ajustada e do conjunto de dados adquirido dos ensaios.

O tráfego empregado na simulação foi definido como 3500 números de

solicitações do eixo-padrão por dia, diferentemente distribuído durante as horas. Com

uma velocidade, padrão do software, de 97,2 Km/h e uma taxa de crescimento de 3%

da frota (Figura 32).

44

O software possui um banco de dados climáticos (Figura 33) de várias cidades

norte americanas. Para o teste foi utilizado as informações climáticas da cidade de

Savannah, a partir do ano de 2014, que conforme Brito e Heller (2017) é a que mais

se assemelha ao clima do estado do Rio Grande do Sul.

Figura 32 – Aba do software com tráfego utilizado

Fonte: Autor.

Figura 33 – Aba do software com dados climáticos utilizado

Fonte: Autor.

45

Para o estudo foi usado uma malha com 110 pontos (Figura 34), contendo 10

pontos divididos por 32,85 cm na horizontal, a partir do centro entre as duas rodas, e

11 pontos na vertical, distribuídos igualmente ao longo da espessura da camada de

concreto asfáltico. Esta mesma malha foi utilizada para o cálculo do dano médio

acumulado nos trabalhos de Nascimento (2015), Mocelin (2018) e Schuster (2018).

Figura 34 – Malha de pontos utilizada para determinação do dano médio acumulado na camada de revestimento

Fonte: (Nascimento, 2015)

46

4. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Neste capitulo estão apresentadas as análises dos resultados obtidos para o ensaio

realizado ao longo da pesquisa, correlacionar a influência da adição de areia nas

distintas porcentagens com o comportamento das misturas asfálticas no que diz

respeito ao domínio viscoelástico e a fadiga a partir da metodologia S-VECD.

4.1 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE DANO (C VS S)

Os ensaios foram realizados com diferentes amplitudes de deformação. Foram

moldados 5 corpos de prova por mistura, mas foi utilizado apenas 3 deles, um para

cada tipo de deformação. Apenas na porcentagem de 0% areia aplicou as

deformações de 150, 175 e 200μS nas demais porcentagem os critérios foram de 150,

200 e 250μS.

Com o uso do MATLAB foram geradas as curvas características a partir das

informações obtidas no ensaio de tração-compressão. As curvas características

dependem exclusivamente do material, em uma função dos valores de integridade do

material (C) versus o acúmulo de dano (S), essas curvas tendem a serem semelhantes

mesmo com distintas amplitudes de deformação como é visto nas Figuras 35 à 38.

Com as figuras é possível ponderar algumas coisas. As misturas com 2% de

areia rompem com maior integridade, demonstrando que são menos flexíveis ao

acúmulo de dano comparado as outras misturas. Pode ser observado na Figura 39,

com os fitting médios que a mistura de 0% areia perde mais integridade para um

mesmo número de dano.

47

Figura 35 – Curvas características de dano para a mistura de 0% areia

Fonte: Autor.


Fonte: Autor.

48


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.

49

Figura 39 – Curvas características de dano pelo fitting médio das distintas porcentagem de areia

Fonte: Autor.

4.2 CURVAS DE WÖHLER EXPERIMENTAIS

As curvas de Wöhler constituem-se em um gráfico entre a deformação e

números de ciclos até a ruptura (𝑁𝑓). Utilizando o critério de ruptura do pico do

ângulo de fase foram plotados os valores obtidos experimentalmente (Tabela 10).

Na Figura 40 estão as curvas de Wöhler geradas a partir desses pontos.

Tabela 10 – Valores de 𝑁𝑓 encontrados para as deformações ensaiadas

Mistura Deformação (µS) Nf

0% Areia

150 13247

175 7640

200 5222

2% Areia

150 12762

200 6072

250 4245

4% Areia

150 23455

200 8723

250 4001

6% Areia

150 15645

200 7325

250 3283 Fonte: Autor.

50

Figura 40 – Curvas de Whöhler experimentais

Fonte: Autor.

Com as curvas de Wöhler é possível inferir algumas observações. As curvas

4% e 6% apresentam melhores comportamentos à fadiga a deformações abaixo de,

aproximadamente, 200 (µS). A altas deformações a porcentagem de 2% foi observado

com melhor comportamento à fadiga. Porém as deformações normalmente

encontradas em campo são entre 100 à 150µS, logo demonstrado que a mistura de

2% é a com pior desempenho e a de 4% como melhor comportamento a fadiga.

Porém, é importante ressaltar, que nos ensaios realizados pela prensa, aplica-

se aos corpos de prova deformações pré-determinadas, independentemente da força

que a prensa irá realizar no CP. Mas em campo para uma mesma carga, misturas

mais rígidas tendem a deformar menos, demostrando que o que é dito anteriormente

é a apenas um indicativo.

4.3 RUPTURA PELO CRITÉRIO 𝐺𝑅

Concomitante as curvas características de dano, foi elaborado envoltórias de

ruptura baseados no 𝐺𝑅 (Figura 41).

Observa-se na figura que as misturas 0, 4 e 6% apresentam envoltórios de

ruptura muito próximas sugerindo comportamentos muito similares de falha por fadiga.

Também pode ser visto que a mistura 2 porcento apresentou resultados dispersos que

as demais, indicando menor resistência ao dano por fadiga.

51

Figura 41 – Envoltórias de ruptura baseados no 𝐺𝑅

Fonte: Autor.

4.4 CURVAS DE WÖHLER SIMULADAS

Após o item anterior, foram simulados valores de deformações e número de

ciclos até ruptura utilizando uma equação desenvolvida por Nascimento (2015). Essa

metodologia de cálculo é explicada por Possebon (2018), na sua dissertação de

mestrado. Na Tabela 11 estão os valores de 𝑁𝑓 encontrados para as deformações

simuladas. A equação empregada por Nascimento (2015) faz uso de um número

maior de parâmetros, com isso o 𝑁𝑓 obtido se assemelha muito mais ao real

comportamento do material. Na Figura 42 estão plotados os valores da tabela.

52

Tabela 11 – Valores de 𝑁𝑓 encontrados para as deformações simuladas

Mistura Deformação Nf

0% Areia

100 207089,04

125 89863,62

150 45429,72

175 15484,66

2% Areia

100 13530,49

125 8850,37

150 6256,55

175 3619,63

4% Areia

100 13689248,72

125 1700975,17

150 309529,60

175 21041,44

6% Areia

100 1198884,90

125 326179,48

150 112604,53

175 21024,73

Fonte: Autor.

Figura 42 – Curvas de Whöhler simuladas

Fonte: Autor.

Com base no gráfico acima, é observado que a mistura de 4% areia apresenta

o melhor comportamento à fadiga. O inverso é constatado com a mistura de 2%, que

apresentou o pior desempenho.

53

4.5 SIMULAÇÃO DO COMPORTAMENTO DAS MISTURAS EM UMA ESTRUTURA DE PAVIMENTO (FlexPAVE)

Depois de simulado as quatro misturas foi obtido um gráfico de danos médios

acumulado (𝑁/𝑁𝑓) em função do tempo (meses). Os gráficos foram gerados a partir

do dano em 1, 6, 12, 24, 60 e 120 meses. Então plotou as quatro misturas em um

gráfico (Figura 43). Observou que as misturas de 4 e 6% de areia apresentaram

melhor desempenho. E que a mistura de 2% de areia obteve o pior desempenho.

Figura 43 – Dano médio acumulado em função do tempo das 4 misturas

Fonte: Autor.

O FlexPAVE gera imagens ao longo dos meses do dano (𝑁/𝑁𝑓) ao longo da

profundidade (Z) e posição de passagem do eixo padrão (X), dessa forma se tem uma

melhor visualização do trincamento por fadiga ao longo dos meses. A ilustração é

representada por cores, as cores tendendo ao vermelho indicam áreas trincadas,

sendo o valor 𝑁/𝑁𝑓 = 1 uma área totalmente danificada. As cores tendendo ao azul

demonstram áreas que não têm trinca, sendo 𝑁/𝑁𝑓 = 0 uma área com nenhuma trinca.

As figuras 44 à 49 são da simulação de 0% de areia de 1, 6, 12, 24, 60 e 120 meses.

54

Figura 44 – Dano médio acumulado no revestimento asfáltico a 1 mês na mistura de 0% de areia

Fonte: Autor.

Figura 45 – Dano médio acumulado no revestimento asfáltico a 6 meses na mistura de 0% de areia

Fonte: Autor.


Fonte: Autor.

Damage Factor (N/N) Distribution − @ February 1, 2014

−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

Damage Factor (N/N) Distribution − @ July 1, 2014

−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

Damage Factor (N/N) Distribution − @ January 1, 2015

−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

55


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

56

A partir do final do primeiro ano se observou que o dano de fadiga começou a

ocorrer na fibra superior do revestimento, sugerindo a formação de trincas top-down.

Verifica-se também que a maior parte do dano, desde o começo da vida de projeto,

ocorre na fibra inferior, indicando que o trincamento bottom-up é predominante na

estrutura.

As Figuras 50 à 53 são da simulação de 2% de areia de 1, 6, 12, 24. Figuras

de 60 e 120 meses não foram obtidas pelo motivo que estrutura rompeu inteira antes

desse tempo.


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

57


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.

Assim como a mistura de 2% é possível que o mesmo acontece a partir do final

do primeiro mês. Porém verifica-se que a maior parte do dano, a partir dos 6 meses,

ocorre na fibra superior. As figuras 54 à 59 são da simulação de 4% de areia de 1, 6,

12, 24, 60 e 120 meses.



58


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

59


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

60

As figuras 60 à 65 são da simulação de 6% de areia de 1, 6, 12, 24, 60 e 120

meses.


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

61


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


Fonte: Autor.


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

62


Fonte: Autor.

Ressalta-se que as misturas de 4% e 6% demonstraram os melhores

resultados frente a simulação no software FlexPAVE. Observa-se que na mistura 2%

foi a que teve maior área trincada entre as quatro misturas e que a mistura de 0% e

2% foram as únicas misturas entre quatro misturas que atingiu trincas na parte

superior do pavimento.

4.6 CORRELAÇÕES ENTRE DANO POR FADIGA, RIGIDEZ E DANO POR DEFORMAÇÃO PERMANENTE

Com os resultados obtidos por Schuster (2016) e Brondani (2016) foi plotado

os resultados em um gráfico com o objetivo de encontrar possíveis correlações. A

Figura 66 demonstra uma função de dano por fadiga por E*sen(Φ) e a Figura 67

mostra uma função de dano por fadiga por flow number.

Percebe-se que à correlação entre dano por fadiga e inferência baseada no

comportamento linear viscoelástico e concomitantemente dano por fadiga e flow

number não possuem nenhuma correspondência significativa entre elas.


−1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5

X (m)

63

Figura 66 – Correlação de dano por fadiga por E*sen(Φ)

Fonte: Autor.

Figura 67 – Correlação de dano por fadiga por flow number

Fonte: Autor.

A mistura de 2% de areia, por apresentar resultados dispersos dos demais, foi

gerado novas linhas de tendência sem o ponto de 2% para que se possa observar

uma possível correlação. Nas Figuras 68 e 69 estão demonstradas as novas linhas

de tendência

64

Figura 68 – Correlação de dano por fadiga por E*sen(Φ) sem a mistura de 2% de areia

Fonte: Autor.

Figura 69 – Correlação de dano por fadiga por flow number sem a mistura de 2% de areia

Fonte: Autor.

65

Alterando-se os gráficos observou que o gráfico de dano por fadiga e E*sen(Φ)

teve o coeficiente de determinação diminuído consideravelmente e uma pequena

alteração no gráfico de fadiga e flow number. Não sendo possível encontrar nenhuma

correspondência significativa.

4.7 RANKING DOS DIFERENTES MODOS DE DEMONSTRAÇÃO DE DESEMPENHO À FADIGA

O ranking de melhor mistura ao comportamento à fadiga, observando as curvas

de Wöhler experimentais e simuladas e os resultados do FlexPAVE, estão

demonstradas na tabela 12 à 14, o ranking da tabela de Wöhler experimentais foi

escolhido uma deformação de 150 microstrains como padrão, pois é que mais se

assemelha a deformação encontrada em campo.

Tabela 12 – Ranking para as curvas de Wöhler experimentais

Classificação

Ranking Mistura

1º 4% Areia

2º 6% Areia

3º 0% Areia

4º 2% Areia

Fonte: Autor.

Tabela 13 – Ranking para as curvas de Wöhler simuladas

Classificação

Ranking Mistura

1º 4% Areia

2º 6% Areia

3º 0% Areia

4º 2% Areia

Fonte: Autor.

66

Tabela 14 – Ranking para os resultados do FlexPAVE

Classificação

Ranking Mistura

1º 4% Areia

2º 6% Areia

3º 0% Areia

4º 2% Areia

Fonte: Autor.

Com isso demonstra que todas as três formas de desempenho a fadiga são

bem coerentes com os resultados obtidos para este caso.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Serão apresentadas as conclusões encontradas no decorrer do trabalho e

através dos ensaios efetuados, promover uma avaliação dos dados. Após isso, serão

listadas algumas ideias de novos estudos para ampliação desse conhecimento que

se mostraram oportunos no decorrer desta pesquisa.

5.1 CONCLUSÕES

O objetivo da pesquisa foi, com o ensaio de tração-compressão e utilizando a

metodologia S-VECD, inferir sobre o comportamento das quatro misturas asfálticas

em termos de resistência a fadiga. Com o referencial teórico, metodologia e analises

de resultados é possível concluir alguns tópicos.

Foi possível observar que com a inserção de areia natural em troca de

agregado miúdo impactou nos resultados de fadiga levando a uma melhora

significativa a medida que se aumentou o teor de areia. A mistura de 2% apresentou

comportamento distinto das demais, não seguindo o padrão que se esperava, visto o

comportamento observado com as outras misturas.

Foi confirmado, para estas misturas, que o uso de agregado natural, que possui

formato arredondado, ocasiona a melhora ao desempenho a fadiga a medida que se

aumenta a sua porcentagem. Mostrando que maiores esfericidades e menores

67

angularidades possibilitam maiores resistência a fadiga, assim como também

observado por Schuster (2018).

Foi possível concluir que não se tem nenhuma correlação entre os danos de

fadiga encontrados nesta pesquisa e os resultados de resistência a deformação

permanente com os obtidos por Schuster (2016), e comportamento linear viscoelástico

apresentados por Brondani (2016).

5.2 SUGESTÕES PARA ESTUDOS FUTUROS

Com base aos temas vistos durante essa pesquisa e considerações feitas a

partir da análise de resultados propõe então algumas sugestões de futuras pesquisas

que sejam convenientes com o estudo feito, sendo elas:

1. Testar amostras com maiores porcentagens de areia natural, de maneira a

compreender melhor a significância da influência da areia nos parâmetros de

dosagem

2. Testar diferentes teores de material passante na #200

3. Correlacionar os dados de resistência a fadiga das amostras ensaiadas com

outros ensaios de fadiga

4. Testar as mesmas misturas no software Medina

68

6. REFERÊNCIAS

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73

APÊNDICE A – SÉRIES DE PRONY PARA AS MISTURAS DE 0, 2, 4 E 6%

Tabela 15 – Séries de Prony para as misturas de 0%

Coeficiente WLF 31,43 230,14

Temp. de referência 21

Einf (MPa) = 5,51E+01 Do (1/MPa) = 2,86E–05

ρi (s) Ei (MPa) τj (s) Dj (1/MPa)

6,25E–15 6,07E+01 5,49E–15 4,80E–08 2,46E–14 3,97E+01 1,89E–14 2,74E–08 9,69E–14 4,17E+01 6,54E–14 3,15E–08 3,81E–13 4,25E+01 2,25E–13 2,49E–08 1,50E–12 7,25E+01 7,78E–13 5,01E–08 5,90E–12 8,14E+01 2,68E–12 4,81E–08 2,32E–11 1,26E+02 9,26E–12 8,13E–08 9,11E–11 1,52E+02 3,19E–11 8,80E–08 3,58E–10 2,21E+02 1,10E–10 1,35E–07 1,41E–09 2,77E+02 3,80E–10 1,57E–07 5,51E–09 3,86E+02 1,31E–09 2,27E–07 2,16E–08 4,92E+02 4,53E–09 2,77E–07 8,47E–08 6,64E+02 1,56E–08 3,86E–07 3,31E–07 8,42E+02 5,39E–08 4,84E–07 1,29E–06 1,10E+03 1,86E–07 6,61E–07 5,03E–06 1,37E+03 6,41E–07 8,44E–07 1,95E–05 1,70E+03 2,21E–06 1,14E–06 7,56E–05 2,04E+03 7,63E–06 1,47E–06 2,91E–04 2,40E+03 2,63E–05 1,98E–06 1,12E–03 2,72E+03 9,09E–05 2,60E–06 4,26E–03 3,00E+03 3,13E–04 3,51E–06 1,61E–02 3,18E+03 1,08E–03 4,71E–06 6,02E–02 3,24E+03 3,73E–03 6,50E–06 2,22E–01 3,11E+03 1,29E–02 9,07E–06 8,03E–01 2,72E+03 4,44E–02 1,32E–05 2,88E+00 2,07E+03 1,53E–01 1,97E–05 1,04E+01 1,34E+03 5,29E–01 3,11E–05 3,80E+01 7,49E+02 1,82E+00 5,14E–05 1,44E+02 3,79E+02 6,29E+00 8,99E–05 5,62E+02 1,81E+02 2,17E+01 1,65E–04 2,33E+03 8,43E+01 7,49E+01 3,15E–04 1,05E+04 3,88E+01 2,58E+02 6,23E–04 5,24E+04 1,55E+01 8,91E+02 1,26E–03 2,49E+05 4,13E+00 3,08E+03 2,51E–03 1,03E+06 1,60E+00 1,06E+04 1,30E–02

Fonte: Autor.

74




Einf (MPa) = 6,01E+01 Do (1/MPa) = 2,86E–05


5,85E–15 5,99E+01 5,49E–15 4,80E–08 2,16E–14 3,65E+01 1,89E–14 2,74E–08 7,95E–14 3,97E+01 6,54E–14 3,15E–08 2,93E–13 3,64E+01 2,25E–13 2,49E–08 1,08E–12 6,65E+01 7,78E–13 5,00E–08 3,98E–12 6,89E+01 2,68E–12 4,81E–08 1,46E–11 1,11E+02 9,26E–12 8,13E–08 5,39E–11 1,27E+02 3,19E–11 8,79E–08 1,98E–10 1,89E+02 1,10E–10 1,35E–07 7,29E–10 2,27E+02 3,80E–10 1,57E–07 2,68E–09 3,20E+02 1,31E–09 2,27E–07 9,85E–09 3,97E+02 4,53E–09 2,77E–07 3,61E–08 5,38E+02 1,56E–08 3,86E–07 1,33E–07 6,71E+02 5,39E–08 4,84E–07 4,85E–07 8,79E+02 1,86E–07 6,61E–07 1,77E–06 1,09E+03 6,41E–07 8,43E–07 6,47E–06 1,37E+03 2,21E–06 1,14E–06 2,35E–05 1,65E+03 7,63E–06 1,47E–06 8,53E–05 1,98E+03 2,63E–05 1,98E–06 3,09E–04 2,29E+03 9,09E–05 2,59E–06 1,11E–03 2,60E+03 3,13E–04 3,50E–06 3,98E–03 2,83E+03 1,08E–03 4,69E–06 1,41E–02 3,02E+03 3,73E–03 6,46E–06 4,99E–02 3,10E+03 1,29E–02 9,01E–06 1,73E–01 3,04E+03 4,44E–02 1,31E–05 5,92E–01 2,74E+03 1,53E–01 1,96E–05 2,00E+00 2,20E+03 5,29E–01 3,10E–05 6,73E+00 1,50E+03 1,82E+00 5,17E–05 2,30E+01 8,85E+02 6,29E+00 9,13E–05 8,04E+01 4,64E+02 2,17E+01 1,70E–04 2,90E+02 2,26E+02 7,49E+01 3,30E–04 1,09E+03 1,07E+02 2,58E+02 6,72E–04 4,45E+03 4,98E+01 8,91E+02 1,42E–03 2,05E+04 2,08E+01 3,08E+03 2,94E–03 9,38E+04 6,51E+00 1,06E+04 1,09E–02

Fonte: Autor.

75




Einf (MPa) = 4,81E+01 Do (1/MPa) = 2,82E–05


6,25E–15 6,15E+01 5,49E–15 4,74E–08

2,46E–14 4,03E+01 1,89E–14 2,70E–08

9,69E–14 4,23E+01 6,54E–14 3,10E–08

3,81E–13 4,30E+01 2,25E–13 2,46E–08

1,50E–12 7,35E+01 7,78E–13 4,94E–08

5,90E–12 8,26E+01 2,68E–12 4,74E–08

2,32E–11 1,28E+02 9,26E–12 8,02E–08

9,11E–11 1,55E+02 3,19E–11 8,67E–08

3,58E–10 2,24E+02 1,10E–10 1,33E–07

1,41E–09 2,81E+02 3,80E–10 1,55E–07

5,51E–09 3,92E+02 1,31E–09 2,24E–07

2,16E–08 4,99E+02 4,53E–09 2,73E–07

8,47E–08 6,73E+02 1,56E–08 3,81E–07

3,31E–07 8,54E+02 5,39E–08 4,77E–07

1,29E–06 1,11E+03 1,86E–07 6,52E–07

5,03E–06 1,38E+03 6,41E–07 8,32E–07

1,95E–05 1,73E+03 2,21E–06 1,12E–06

7,56E–05 2,06E+03 7,63E–06 1,45E–06

2,91E–04 2,43E+03 2,63E–05 1,95E–06

1,12E–03 2,75E+03 9,09E–05 2,56E–06

4,26E–03 3,04E+03 3,13E–04 3,45E–06

1,61E–02 3,22E+03 1,08E–03 4,62E–06

6,02E–02 3,30E+03 3,73E–03 6,37E–06

2,21E–01 3,19E+03 1,29E–02 8,89E–06

7,99E–01 2,80E+03 4,44E–02 1,29E–05

2,85E+00 2,13E+03 1,53E–01 1,93E–05

1,02E+01 1,36E+03 5,29E–01 3,06E–05

3,71E+01 7,43E+02 1,82E+00 5,11E–05

1,39E+02 3,65E+02 6,29E+00 9,02E–05

5,39E+02 1,68E+02 2,17E+01 1,67E–04

2,21E+03 7,49E+01 7,49E+01 3,25E–04

1,01E+04 3,30E+01 2,58E+02 6,60E–04

5,33E+04 1,16E+01 8,91E+02 1,40E–03

2,60E+05 1,44E+00 3,08E+03 3,00E–03

1,04E+06 7,93E–01 1,06E+04 1,50E–02

Fonte: Autor.

76




Einf (MPa) = 4,51E+01 Do (1/MPa) = 2,74E–05


6,25E–15 6,64E+01 5,49E–15 4,84E–08

2,46E–14 4,36E+01 1,89E–14 2,76E–08

9,69E–14 4,57E+01 6,54E–14 3,17E–08

3,81E–13 4,64E+01 2,25E–13 2,51E–08

1,50E–12 7,94E+01 7,78E–13 5,04E–08

5,90E–12 8,92E+01 2,68E–12 4,85E–08

2,32E–11 1,38E+02 9,26E–12 8,19E–08

9,11E–11 1,67E+02 3,19E–11 8,86E–08

3,58E–10 2,42E+02 1,10E–10 1,36E–07

1,41E–09 3,03E+02 3,80E–10 1,58E–07

5,51E–09 4,22E+02 1,31E–09 2,29E–07

2,16E–08 5,37E+02 4,53E–09 2,79E–07

8,46E–08 7,23E+02 1,56E–08 3,89E–07

3,31E–07 9,15E+02 5,39E–08 4,88E–07

1,29E–06 1,19E+03 1,86E–07 6,66E–07

5,02E–06 1,48E+03 6,41E–07 8,50E–07

1,95E–05 1,83E+03 2,21E–06 1,15E–06

7,53E–05 2,18E+03 7,63E–06 1,48E–06

2,90E–04 2,56E+03 2,63E–05 1,99E–06

1,11E–03 2,88E+03 9,09E–05 2,62E–06

4,23E–03 3,16E+03 3,13E–04 3,54E–06

1,60E–02 3,34E+03 1,08E–03 4,75E–06

5,96E–02 3,39E+03 3,73E–03 6,58E–06

2,19E–01 3,23E+03 1,29E–02 9,22E–06

7,87E–01 2,78E+03 4,44E–02 1,35E–05

2,81E+00 2,05E+03 1,53E–01 2,04E–05

1,01E+01 1,27E+03 5,29E–01 3,25E–05

3,71E+01 6,86E+02 1,82E+00 5,48E–05

1,40E+02 3,36E+02 6,29E+00 9,76E–05

5,53E+02 1,57E+02 2,17E+01 1,82E–04

2,30E+03 7,21E+01 7,49E+01 3,56E–04

1,05E+04 3,29E+01 2,58E+02 7,18E–04

5,21E+04 1,32E+01 8,91E+02 1,48E–03

2,46E+05 3,89E+00 3,08E+03 2,99E–03

1,02E+06 1,84E+00 1,06E+04 1,62E–02

Fonte: Autor.

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