CONTRIBUTO PARA A FORMULAÇÃO DE MISTURAS RECICLADAS A SEMI-QUENTE EM CENTRAL Marisa Dinis Almeida Centre of Materials and Building Technologies Universidade da Beira Interior Covilhã, Portugal
[email protected] J. P. Castro Gomes Centre of Materials and Building Technologies Universidade da Beira Interior Covilhã, Portugal
[email protected] Maria de Lurdes Antunes Laboratório Nacional de Engenharia Civil Lisboa, Portugal
[email protected] Resumo A reciclagem de pavimentos não se pode considerar uma técnica recente em Portugal dado que a Estradas de Portugal (EP) já tem várias obras onde a executou e com resultados bastante satisfatórios. Na maioria dos casos consiste em reciclar o pavimento existente, à temperatura ambiente e adicionar emulsão betuminosa e/ou cimento. Foram essas experiências anteriores, que potenciaram esta nova experiência na EN 244 entre Ponte Sôr e Gavião, e, esta sim, uma inovação a nível da reciclagem de pavimentos. A reciclagem semi-quente de misturas betuminosas em central é uma técnica ainda em desenvolvimento que se tem revelado muito promissora, quer ao nível económico quer ambiental, ao permitir aproveitar as matérias-primas existentes no pavimento degradado, e reduzir os gastos energéticos no fabrico da nova mistura. No entanto, ainda se levantam muitas questões quanto ao conhecimento da mistura, que se prendem, essencialmente, com a insuficiente informação acerca do desempenho das camadas de materiais reciclados. Este trabalho apresenta os resultados do acompanhamento e execução da referida obra, permitindo estabelecer um estudo comparativo com resultados obtidos em laboratório e em obra em termos de formulação e de qualidade deste tipo de misturas. Pretende-se com este artigo contribuir para a definição e desenvolvimento de uma metodologia de formulação de deste tipo de misturas, definindo parâmetros de dimensionamento, tendo em consideração a heterogeneidade do material fresado e permitindo um maior conhecimento do seu comportamento mecânico ao longo do tempo.
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INTRODUÇÃO Os pavimentos betuminosos, ao longo do tempo e devido à acção do tráfego e dos agentes atmosféricos vão sofrendo uma degradação da sua capacidade de carga e do seu nível de serviço, ao longo do seu ciclo de vida (Antunes, 1993). A reciclagem semi-quente de misturas betuminosas em central permite reabilitar pavimentos que deixaram de ter condições estruturais e funcionais adequadas ao nível de serviço e desempenho pretendidos. No caso da E.N. 244 – lanço entre Ponte de Sôr e proximidades do Gavião, cujo projecto foi desenvolvido pela Direcção de Estradas de Portalegre, após a caracterização do pavimento existente concluiu-se que a solução mais adequada económica e ambientalmente para a reabilitação do pavimento (face à fissuração generalizada e avançada, que implicava uma fresagem do pavimento em grande percentagem do lanço) seria uma reciclagem. A técnica designada reciclagem “semi-quente” consiste em retirar o pavimento existente, numa determinada espessura, neste caso de 7cm, conduzi-lo a uma central, onde será aquecido até uma temperatura entre 90-100 ºC e se adiciona uma pequena percentagem de emulsão betuminosa, à temperatura ambiente, para posteriormente, se proceder à sua aplicação em obra. As vantagens desta técnica baseiam-se, essencialmente, no facto das espessuras necessárias para reforçar o pavimento existente serem menores do que as necessárias no caso de se executar outra técnica e também por se conseguir a correcção de determinadas patologias superficiais do pavimento, como seja a fissuração. A não execução desta técnica exige, que seja retirado todo o pavimento fissurado e o seu preenchimento, antes de aplicar as novas camadas de reforço. BREVE DESCRIÇÃO DA OBRA O projecto de beneficiação do lanço da EN 244 entre Ponte Sôr e o cruzamento com a E.N. 118, já no concelho de Gavião tem uma extensão total de, aproximadamente, 24,2 Km, com início no cruzamento com a EN 118 (ao km 58+380) e o seu término em Ponte de Sôr (ao km 82+544). Trata-se de um traçado de uma estrada predominantemente em meio rural, com uma densidade considerável de serventias agrícolas, mas com zonas de aglomerados urbanos. Para esta técnica de pavimentação foi necessário o desenvolvimento de uma emulsão especial, capaz de envolver, sem escorrimentos nem se deteriorar devido à temperatura elevada, e ao mesmo tempo proporcionar à mistura uma elevada coesão inicial, uma elevada adesividade, bem como uma trabalhabilidade suficiente para a sua aplicação com espalhadoras convencionais. Assim, foi desenvolvida uma nova emulsão de betume melhorado (catiónica, de rotura lenta e com betume aditivado, especialmente para misturas a 90 ºC), designada por RECIEMUL-90 (Soto et al, 2008). O pavimento existente encontrava-se com algumas anomalias, tais como, envelhecimento e degradações, fissuração generalizada e avançada (fendas longitudinais e transversais). Nesta obra e após alguns estudos realizados pela CEPSA PROAS, concluiu-se que a espessura de pavimento envelhecido a fresar seria de 7 cm de profundidade, correspondendo a uma mistura de diferentes camadas de pavimento, que incluía desgaste (6 cm) e parte da camada de regularização (8 cm), de uma mesma obra executada em 1987.
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Equipamento necessário para a execução da obra Como foi referido anteriormente, o pavimento existente foi removido com uma fresadora até à profundidade de 7 cm (Figura 1) transportado para a central betuminosa em camiões basculantes de caixa aberta.
Figura 1: Equipamento utilizado na fresagem do pavimento
Após o processo de fresagem, o material fresado foi colocado em stock numa área próxima das tremonhas de alimentação do material sendo remexido, à medida que chega à central, por uma pá carregadora, de forma a ser homogeneizado e permitindo a sua secagem. A colocação do material fresado nas tremonhas foi feita através da mesma pá carregadora, como ilustram as figuras 2 e 3.
Figura 2: Homogeneização do material fresado
Figura 3: Colocação do material fresado nas tremonhas
A fabricação da mistura reciclada foi realizada numa central a quente do tipo descontínuo. Foi necessário fazer algumas adaptações à central, essencialmente ao nível dos queimadores, uma vez que se trabalhava a temperaturas mais baixas do que é normal nas centrais a quente. Além disso, para controlar melhor a mistura adicionaram-se mais alguns sensores de temperatura.
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Nesta central, todo o material a reciclar entrou no circuito e foi transportado por tapetes rolantes (Figura 4) passando por um peneiro eliminando todas as partículas e partes de pavimento com tamanho superior a 25mm. Neste processo a emulsão betuminosa foi adicionada à temperatura ambiente.
Figura 4: Transporte do material fresado nos tapetes rolantes
Para o transporte da mistura reciclada, utilizaram-se camiões basculantes de caixa aberta e lisa. O espalhamento do material reciclado semi-quente foi efectuado com pavimentadoras convencionais realizando um espalhamento com pré-compactação, homogéneo e com o perfil desejado, mediante uma régua de extensão com dispositivos de nivelamento automático (Figura 5).
Figura 5: Pavimentadora
Para a compactação recorreu-se a um cilindro de rasto liso com vibração, dando à mistura uma primeira compactação, seguindo-se um cilindro de pneus, tendo como principal função favorecer a expulsão de alguma água existente na mistura, devido à rotura da emulsão. Em obra, a mistura foi compactada à temperatura de 90ºC, aproximadamente. ESTUDO EM LABORATÓRIO Previamente à definição das características do pavimento adoptado em projecto, a CEPSA PROAS realizou um estudo em laboratório utilizando material fresado de dois pontos do
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traçado. A partir deste estudo, surgiu uma proposta de formulação da mistura reciclada a semi-quente em central (Soto et al, 2008) que consistia no seguinte: • • •
100% de material fresado, aquecido a 90º C 3% de emulsão catiónica, de rotura lenta e com betume aditivado especialmente para misturas a 90 ºC, denominada por RECIEMUL-90. 0% de água.
De acordo com este estudo, durante o decorrer da obra recolheram-se várias amostras de material fresado, de forma aleatória e representativa, com as quais se realizaram alguns ensaios de caracterização do material. Os valores de betume residual variavam entre os 4,8 e os 5,3 sobre a percentagem de agregado, valores estes que se revelaram superiores ao utilizado no estudo atrás referido (4,5%). Antes da extracção de ligante fizeram-se as análises granulométricas das amostras constatando-se a uniformidade do material fresado. Na Figura 6, pode constatar-se que as amostras de material fresado se enquadram no fuso recomendado pelo Caderno de Encargos da obra.
Figura 6: Curvas granulométricas de diferentes amostras de fresado (Torres, 2009)
No entanto, devido aos diferentes conteúdos de betume envelhecido obtidos serem mais altos do que o previsto no estudo inicial, houve necessidade de adaptar a formulação, já com a obra a decorrer. Assim sendo, a empresa definiu uma nova formulação, aplicada, aproximadamente, a partir do km 60+300: • • •
100% de material fresado, aquecido a 120º C 2% de emulsão catiónica, de rotura lenta, com betume aditivado especialmente para misturas a 90 ºC, denominada por RECIEMUL. 0% de água. 553
Contributo para formulação Dado que as misturas semi-quentes se encontram entre as misturas a quente e a mistura a frio, levantou-se uma primeira questão, relativamente à metodologia a adoptar na formulação da mistura. Em Portugal, a metodologia mais utilizada para a formulação de misturas a quente é o Ensaio Marshall (EN 12697-34) enquanto que para as misturas a frio, é vulgarmente utilizado, o ensaio de imersão-compressão (NLT 162/00). Assim sendo, optou-se por utilizar os dois ensaios e verificar qual seria o mais indicado a aplicar para as misturas recicladas a semiquente. Este estudo faz parte de um trabalho de Doutoramento, da autora, que neste momento está a decorrer na Universidade da Beira Interior, Covilhã, Portugal. Neste estudo, para além de serem utilizados dois métodos distintos de formulação fazendo-se variar o conteúdo de emulsão betuminosa, utilizaram-se duas temperaturas distintas de compactação da mistura (60ºC e 90ºC). No estudo realizado pela CEPSA PROAS era referido que a temperatura indicada seria entre os 60 e 80ºC. No entanto, após a realização de diversos ensaios em laboratório, verificou-se que a baridade das misturas compactadas a 60 ou a 90ºC apresentava diferenças significativas entre si, valores que, posteriormente, influenciavam o comportamento da mistura. A influência do tempo de cura foi outro aspecto sobre o qual se debruçou este estudo uma vez que este factor pode influenciar os resultados da formulação. Assim, fizeram-se os mesmos estudos com provetes moldados e ensaiados com 24 horas no molde à temperatura ambiente e com 24 horas em estufa a 60ºC, com o objectivo de acelerar a cura. Foi também utilizado o ensaio para determinação do Módulo de Rigidez (EN 12697-26) como critério de optimização da formulação efectuada. Para cada um dos métodos de ensaios, assim como para as diferentes variáveis, foi realizado um conjunto significativo de provetes, tal como se apresenta no quadro seguinte. Quadro 1: Número de provetes realizados em laboratório para os diferentes ensaios Emulsão
1,0%
1,5%
2,0%
2,5%
3,0%
Ensaio Marshall
25
25
25
25
25
Ensaio Imersão-compressão
30
30
30
30
30
Módulo de Rigidez
10
10
10
10
10
Os seguintes gráficos (Figura 7) resumem a formulação segundo o ensaio Marshall que foi realizada em laboratório para diferentes condições de temperatura (60 e 90ºC) e cura (24 horas no molde à temperatura ambiente e 24 horas em estufa a 60ºC). No entanto, verificou-se que a 60 e 90ºC há alguma variabilidade dos resultados, que não se deve às condições dos ensaios nem da mistura, mas ao facto de não ter sido feita qualquer cura. Ao analisar-se todos os parâmetros deste ensaio, desde a estabilidade, deformação, baridade, porosidade, volume de vazios na mistura de agregados (VMA) e volume de vazios preenchidos com betume (VFA), verifica-se que são notórias as melhorias quando se aumenta a temperatura e a cura, como é o caso das misturas a 90ºC com 24h de cura em estufa a 60ºc. Quanto ao conteúdo de emulsão, pode concluir-se que o mais adequado estaria situado entre 2 a 2,5% sobre a percentagem de agregados.
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Deformação Marshall
Estabilidade Marshall 9,0
16,0 14,0 12,0 60ºC
10,0
90ºC 90ºC comcura
8,0 6,0 4,0
Deformação Marshall (kN)
Estabilidade Marshall (kN)
18,0
8,0 7,0 60ºC
6,0
90ºC
5,0
90ºC comcura
4,0 3,0 2,0
2,0 1,0%
2,0%
1,0%
3,0%
2,0%
Conteúdo de emulsão (%)
3,0%
Conteúdo de emulsão (%)
Porosidade
Baridade 12,0
2,50
2,30
60ºC 90ºC 90ºC comcura
2,20
Porosidade (%)
Baridade (g/cm3)
10,0
2,40
2,10
8,0 60ºC
6,0
90ºC 90ºC comcura
4,0 2,0 0,0
2,00 1,0%
1,5%
2,0%
2,5%
3,0%
1
3,5%
1,5
2
2,5
3
3,5
Conteúdo de Emulsão (%)
Conteúdo de emulsão (%)
VFA
VMA 80,0
20,0
70,0 60,0 50,0
60ºC 90ºC
10,0
90ºC comcura
5,0
VMA (%)
VMA (%)
15,0 60ºC 90ºC
40,0
90ºC comcura 30,0 20,0 10,0
0,0 1
1,5
2
2,5
3
0,0
3,5
1
Conteúdo de Emulsão (%)
1,5
2
2,5
3
3,5
Conteúdo de Emulsão (%)
Figura 7: Gráficos resultantes da formulação Marshall
Relativamente ao ensaio de Imersão-Compressão, ilustrado pela figura 8, o conteúdo de emulsão mais indicado seria 2%. Quanto à influência da diferença de temperatura e condições de cura, os resultados também parecem conduzir à mesma conclusão, apesar da resistência 555
conservada poder ainda aumentar, com conteúdos de emulsão superiores, temperaturas de mistura de 90ºC, com e sem cura.
Resistência Conservada (%)
IMERSÃO COMPRESSÃO 110 100 90 60ºC
80
90ºC 90ºc comcura
70 60 50 1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Conteúdo de emulsão (%)
Figura 8: Gráfico resultante da formulação da Imersão-Compressão
Para a determinação do Módulo de Rigidez compactaram-se provetes através da compactação estática de duplo efeito a 8 MPa uma vez que se verificou que as baridades obtidas para este valor de compactação seriam semelhantes às obtidas em obra. Quanto ao ensaio do Módulo de Rigidez, os resultados obtidos para a mistura realizada a 90ºC foram ligeiramente superiores que os da mistura realizada a 60ºC (Figura 9), no entanto como veremos no ponto seguinte ficam aquém dos resultados de obra. Evolução do Módulo de Rigidez (8MPa 60ºC)
Evolução do Módulo de Rigidez (8MPa 90ºC)
2400
3000
2200
2800 1,00%
1800
1,50% 1600
2,00%
1400
2,50% 3,00%
1200
E (MPa) a 20ºC
E (MPa) a 20ºC
2000
2600
1,00% 1,50%
2400
2,00% 2,50%
2200
3,00% 2000
1000
1800
800 0
10
20
30
40
50
60
0
70
Idade dos provetes (dias)
10
20
30
40
50
60
70
Idade dos provetes (dias)
Figura 9: Evolução do Módulo de Rigidez para temperaturas de compactação de 60 e 90ºC
Acompanhamento da obra Durante a execução do pavimento realizaram-se várias carotes com a finalidade de comparar os resultados de obra com os da mistura realizada e compactada em laboratório. A maior parte das carotes extraídas é constituída por todas as camadas do pavimento, mistura semi-quente e camada de base antiga, chegando à camada de fundação.
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As baridades, em laboratório, foram determinadas utilizando uma amostragem representativa de material fresado. Quanto aos valores obtidos pode verificar-se, no quadro seguinte, que tanto nos provetes compactados pelo Método Marshall a 90ºC como nos que são compactados pelo Método estático de duplo efeito, estes são os que mais se aproximam aos de obra. Quadro 2: Valores da baridade obtidos para os diferentes ensaios e diferentes temperaturas BARIDADE [g/cm3] Imersão-Compressão
Marshall
0bra
%E 90ºC
60ºC
Estufa 24h a 60ºC
90ºC
60ºC
Estufa 24h a 60ºC
90ºC
1,0%
2,27
-----
-----
2,33
-----
-----
-----
1,5%
2,34
2,27
2,30
2,31
2,22
2,34
-----
2,0%
2,37
2,31
2,33
2,33
2,22
2,38
2,30
2,5%
2,34
2,28
2,33
2,35
2,19
2,34
-----
3,0%
2,34
2,28
2,34
2,34
2,24
2,36
-----
O Módulo de Rigidez foi determinado nas carotes extraídas do pavimento, através do ensaio de aplicação de tracção indirecta em carotes cilíndricos (EN 12697-26 anexo C), obtendo-se valores bastante variáveis ao longo da obra, como se pode verificar na Figura 10. No entanto, estes valores, nalguns casos, são bastante superiores aos obtidos em laboratório. Módulo de Rigidez (Via Direita)
.
5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000
E (M Pa )
E (M Pa )
.
Módulo de Rigidez (Via Esquerda)
61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76
62
Localização da carote (Km) 1 MÊS
2 MESES
5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 63
64 65
66
67
68 69
70
71
72 73
74
75
Localização da carote (Km)
4 MESES
1 MÊS
2 MESES
4 MESES
Figura 10: Evolução do Módulo de Rigidez na via esquerda e via direita
CONSIDERAÇÕES FINAIS Este trabalho apresenta resultados que podem contribuir para o desenvolvimento de uma metodologia de formulação para as misturas recicladas semi-quentes em central. Os estudos levados a cabo parecem indicar que os resultados obtidos através das duas metodologias utilizadas, ensaio Marshall e ensaio de Imersão-Compressão, são muito influenciados pela temperatura de compactação das misturas e também do tempo de cura, para o mesmo teor de emulsão. Os melhores resultados foram obtidos, com a formulação Marshall e os provetes compactados a 90ºC e com 24h de cura em estufa a 60ºC. Nestas condições obtiveram-se também resultados com menor variabilidade.
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No sentido de desenvolver uma metodologia de formulação consistente e generalizada, a continuação deste estudo prevê a realização de ensaios de verificação do desempenho das misturas recicladas semi-quentes em central, nomeadamente, a resistência à fadiga com execução do ensaio à flexão em 4 pontos e a resistência às deformações permanentes com o ensaio de pista de laboratório wheel tracking. Estes ensaios terão sempre em conta os aspectos mais importantes para a definição de uma metodologia de formulação, sendo eles, o conteúdo e tipo de emulsão, o tipo de compactação, a temperatura de compactação e o tempo de cura. Quanto à tecnologia aqui avaliada, Reciclagem semi-quente em central, é desejável que constitua, efectivamente, uma alternativa para a reabilitação de pavimentos rodoviários em Portugal. Para tal, é necessário continuar com estudos que permitam conhecer melhor, quer os procedimentos tecnológicos, quer o desempenho das misturas, assim como a confirmação das vantagens económicas e de rentabilidade, uma vez que as vantagens em termos ambientais são já inegáveis. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (Antunes, 1993) Antunes, M.L.: “Avaliação da capacidade de carga de pavimentos utilizando ensaios dinâmicos”. Tese de Doutoramento, Laboratório Nacional de Engenharia Civil e Instituto Superior técnico da Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, Outubro de 1993. (Baptista e Picado-Santos, 2006) Baptista, A.; Picado-Santos, L.: “Desempenho de misturas betuminosas recicladas a quente”. IV Congresso Rodoviário Português “Estrada 2006”, Estoril, Portugal, 5-7 Abril 2006. (Batista et al, 2008) Batista, F.; Antunes, M.L.; Fonseca, P.: “Desempenho de misturas betuminosas com BMB aplicadas em Portugal”. V Congresso Rodoviário Português “Estrada 2008”, Estoril, Portugal, 12-14 Março 2008. (Soto et al, 2008) Soto, J.A.; Cardoso, A.J.M. e Vieira, L.: “Reciclagem Semiquente em Central. EN 244 – Entre Ponte de Sôr e o Entroncamento com a EN118 (Gavião)”. V Congresso Rodoviário Português “Estrada 2008”, Estoril, Portugal, 12-14 Março 2008.
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