Tradução para o português do artigo: Study of Recycled Tyre Rubber in Asphalt Concrete Mixtures Conferência: Asphalt Rubber 2000 November 14-17, 2000, Vila Moura, Portugal. Autores: Leto Momm; Reus Salini
Citação (conforme o artigo original em inglês) Copie e cole a citação formatada ou importe para o seu gerenciador de bibliografias MLA Momm, Leto, and Reus Salini. "Study of Recycled Tyre Rubber in Asphalt
Concrete Mixtures." Proceedings of the Asphalt Rubber 2000 (2000): 341357. APA Momm, L., & Salini, R. (2000). Study of Recycled Tyre Rubber in Asphalt
Concrete Mixtures. Proceedings of the Asphalt Rubber 2000, 341-357. Chicago Momm, Leto, and Reus Salini. "Study of Recycled Tyre Rubber in Asphalt
Concrete Mixtures." Proceedings of the Asphalt Rubber 2000 (2000): 341357. Harvard Momm, L. and Salini, R., 2000. Study of Recycled Tyre Rubber in Asphalt
Concrete Mixtures. Proceedings of the Asphalt Rubber 2000, pp.341-357. Vancouver Momm L, Salini R. Study of Recycled Tyre Rubber in Asphalt Concrete
Mixtures. Proceedings of the Asphalt Rubber 2000. 2000:341-57.
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Estudo sobre incorporação de borracha reciclada de pneus em misturas de concreto asfáltico Leto Momm e Reus Salini Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Civil Rua Mansur Elias, 509 CEP 88 140-000 - Santo Amaro da Imperatriz - SC - Brazil
[email protected] -
[email protected] RESUMO: O estudo investiga os efeitos da adição de borracha de pneus em misturas de concreto asfáltico. A reação da borracha com o ligante asfáltico foi observada através do microscópio. O processo de incorporação da borracha é similar ao processo “borracha-agregado” (seco), mas buscando-se as características do processo “asfalto-borracha” (úmido). O estudo otimizou as quantidades ótimas de asfalto e borracha com a ajuda do Método Marshall. O desempenho da mistura foi avaliado através da resistência à tração por compressão diametral, módulo de resiliência e vida de fadiga por carga repetitiva em corpos de prova Marshall.O dimensionamento simulado demonstrou as vantagens da mistura experimental (com borracha) comparativamente com a mistura convencional (sem borracha). ABSTRACT: The study investigates the effects of the addition of crumb tyre rubber in asphalt concrete mixtures. The reaction of crumb rubber in the asphalt binder is observed through a microscope. The process of incorporation of rubber is similar to the aggregate-rubber process (dry), but seeking the asphalt-rubber process (wet). The study optimises the asphalt binder and rubber contents with the aid of the Marshall method. The mixture performance is evaluated with the indirect tensile strength, resilient modulus and fatigue tests on Marshall samples. The pavement design simulation with the experimental mixture shows advantages compared to the conventional mixture. RÉSUMÉ: L’étude porte sur l’effect de l’addition de la poudrette de caoutchouc dans un enrobé bitumineux. La reaction du caoutchouc du pneu dans le liant bitumineux est observé au microscope. Le procédé d’incorporation du caoutchouc est pareill au procédé dit sec, toutefois, en envisagent le procédé dit humide. L’étude optimise les teneurs en liant et en caoutchouc du pneu avec l’aide de la méthode Marshall. Le comportment du mélange est évalué à l’aide de l’essai de la traction indirecte, du module résilient et de la fatigue avec des éprouvettes Marshall. La simulation du dimensionment de la chaussée avec le mélange testé a montré un réel avantage sur le mélange traditionnel. KEY WORDS: pavements, asphalt mixes, asphalt concrete, recycling, tyre rubber. MOTS-CLÉS: chaussées, mélanges, béton bitumineux, reciclage, caoutchouc du pneu.
Asphalt Rubber 2000. Volume x - No. x/2000, pages X to X
1. Introdução A produção de misturas de concreto asfáltico com a adição de borracha de pneus pode ser efetuada através do processo “seco”, em que a borracha é adicionada como uma fração granular, ou pelo processo “úmido”, em que a borracha é adicionada primeiro ao cimento asfáltico e, então, é incorporada à mistura. No processo seco, a borracha é introduzida diretamente na mistura. Isso causa dificuldades para a compactação e perda de um terço do módulo dinâmico em relação à mesma mistura sem borracha [MED 99]. No processo úmido a borracha é misturada previamente no cimento asfáltico com a utilização de equipamentos apropriados. Há a interação com a borracha, aumentando, assim, o desempenho do concreto asfáltico de forma similar à modificação por polímeros virgens. Ex.: melhora na resistência ao envelhecimento, melhora da elasticidade da mistura [HAN 93; ROB 93] e o uso de espessuras reduzidas para a camada asfáltica [SOU 99]. A modificação do cimento asfáltico ocorre durante um intervalo de tempo entre meia e uma hora e meia. Este intervalo de tempo pode ser verificado no processo úmido. O mesmo não é possível no processo seco. A borracha não é inerte e ela passa por mudanças durante o tempo em que permanece em contato com o cimento asfáltico. Este processo de modificação ocorre naturalmente durante o tempo em que a mistura é transportada (no caminhão) para o local da obra e até que a temperatura seja reduzida à temperatura ambiente. No laboratório é possível simular este tempo pela colocação da mistura em uma estufa com 10°C abaixo da temperatura de mistura. Com misturas estudadas, contendo 5,2% de cimento asfáltico com ponto de penetração 60/70 [MED 99], foi notado que o tempo de modificação no processo seco é em torno de 60 minutos, avaliando através do volume de vazios, resistência à compressão e resistência conservada após a imersão.
1.1. Justificativa O uso de borracha triturada de pneus evita que os pneus velhos tornem-se fonte de poluição e aumenta a vida útil do pavimento asfáltico. Tal melhoria deve-se à presença, na borracha, de anti-oxidantes e inibidores da ação dos raios ultra-violeta. A adição da borracha prolonga a vida do cimento asfáltico e reduz sua sensibilidade às variações de temperatura. [HAN 93; ROB 93; FHW 92; AMI 93; CAL 92; CAL 94; DOT 88]. 1.2. Objetivo O objetivo deste estudo é avaliar o desempenho estrutural da mistura de concreto asfáltico contendo borracha reciclada de pneus. A borracha é incorporada na mistura
através do processo seco, mas buscando as melhorias estruturais e mecanísticas observadas no processo úmido através da manutenção da mistura em uma estufa. O estudo no laboratório buscou determinar o teor de borracha em que o concreto asfáltico apresenta o melhor desempenho possível.
1.3. Procedimento O estudo foi desenvolvido no laboratório, adotando a metodologia tradicionalmente aplicada para a moldagem de corpos de prova pelo Método Marshall, incorporando diferentes quantidades de borracha. Após moldados, os corpos de prova foram colocados em uma estufa durante uma hora, na temperatura de 160ºC, com o propósito de simular o tempo que transcorre entre a mistura efetuada na usina de asfaltos e o transporte até o local de aplicação. As misturas experimentais (com borracha) foram preparadas com diferentes proporções de borracha e diferentes proporções de asfalto e, após, comparadas com uma mistura de referência (sem borracha). Para permitir esta comparação, foi empregada a mesma curva granulométrica e mesmo tipo de ligante asfáltico em todas as misturas (com e sem borracha). A avaliação foi baseada nos parâmetros Marshall, resistência à tração por compressão diametral, vida de fadiga por carga repetitiva e módulo de resiliência.
2. Os materiais 2.1. Os agregados O agregado mineral utilizado foi granito britado, obtido na região da cidade de Florianópolis (Estado de Santa Catarina). A adesividade entre o asfalto e o agregado apresentou-se boa. A composição granulométrica adotada na pesquisa foi preparada de acordo com as especificações do Departamento de Estradas de Rodagem de Santa Catarina (DER/SC) (figure 1).
100 90 80
% passante
70 pa 60 ssi ng 50 (% 40 ) 30 20
inferior border superior border passing (%)
10 0 0,01
0,1
1
10
100
Tamanho (mm) size (mm)
Figura 1. Curva granulométrica.
2.2. Cimento asfáltico Foi utilizado cimento asfáltico do tipo CAP-20 (classificação por viscosidade) fornecido pela refinaria de Araucária (situada no Estado do Paraná), com ponto de amolecimento de 48°C e viscosidade Saybolt-Furol de 180 segundos (a 135°C).
2.3. Borracha A borracha utilizada foi obtida pela decapagem de pneus de veículos comerciais leves, com partícula máxima de 2,4mm e com 70% retido na peneira de 0,297mm. 2.3.1. Micromorfologia Sem a preocupação de seguir nenhuma norma, as partículas de borracha foram observadas através de um microscópio óptico antes e após a adição do cimento asfáltico (figuras 2 e 3, respectivamente). A adição da borracha ao cimento asfáltico foi efetuada de uma forma similar àquela utilizada na moldagem dos corpos de prova.
0
0,5
1,0 mm
Figura 2. Borracha antes da adição do cimento asfáltico.
3. Procedimentos de laboratório 3.1. Mistura de referência
A mistura de referência foi preparada de acordo com o Método Marshall com os seguintes teores de cimento asfáltico: 4,0; 4,5; 5,0; 5,5 e 6,0%. A mistura com teor ótimo de cimento asfáltico foi determinada de acordo com os resultados do Método Marshall, e novos corpos de prova foram moldados para a execução dos ensaios de fadiga e módulo de resiliência. Esta mistura convencional otimizada (sem borracha) foi denominada de “mistura de referência”.
0
0,5
1,0 mm
Figura 3. Borracha após a mistura com o cimento asfáltico.
3.2. Misturas experimentais
As misturas experimentais foram efetuadas com três diferentes quantidades de borracha e diferentes quantidades de cimento asfáltico (tabela 1). O cimento asfáltico está relacionado ao peso total da mistura e o conteúdo de borracha é relacionado ao peso de agregado. Os corpos de prova para utilização nos ensaios de vida de fadiga e módulo de resiliência foram moldados a partir da análise dos resultados do Método Marshall e da resistência à tração por compressão diametral. Esta mistura foi denominada “mistura experimental” (foram testados no mínimo 3 corpos de prova para cada ensaio).
Tabela 1 – Misturas experimentais Misturas experimentais
Teor de borracha (%)
Teor de cimento asfáltico (%) 3,97 4,47
Exp 0.7
0,7
4,97 5,46 5,96 4,65
Exp 1.1
1,1
5,25 5,84 4,68
Exp 0.4
0,4
5,28 5,88
3.3. Moldagem dos corpos de prova Os corpos de prova Marshall foram moldados com 1200 g de peso, 10,2 cm de diâmetro e energia de 75 golpes por face.
3.4. Teor de cimento asfáltico O teor ótimo de cimento asfáltico da mistura de referência foi determinado em 4,8%, tendo como critério principal a curva de tendência do volume de vazios quando este apresentou valor de 5,6%. Para a mistura com borracha os teores ótimos de asfalto e borracha foram de 5,3% e 0,7%, respectivamente, escolhidos com base nos parâmetros do Método Marshall e na resistência à tração por compressão diametral. Esta mistura é denominada “mistura experimental otimizada”. As misturas de referência e experimental otimizada foram submetidas aos ensaios de vida de fadiga por carga repetitiva e módulo de resiliência. 3.5. Módulo de resiliência O módulo de resiliência foi metido em corpos de prova Marshall, com tempo de carga de 0,1 s e 0,9 s de descanso, por ciclo, na temperatura de 25°C.
3.6. Resistência à tração por compressão diametral O ensaio de resistência à tração por compessão diametral foi efetuado em corpos de prova Marshall, seguindo-se a metodologia do Departamento Nacional de Estradas de Rodagem – Método de Ensaio DNER-ME 138/86, na temperatura de 25°C.
3.7. Fadiga A vida de fadiga foi obtida em corpos de prova marshall, submetivos ao ensaio de tensão controlada, com tempo de carga de 0,1 s e 0,9 s de descanso, por ciclo, e tendose como critério de ruptura quando há a divisão do corpo de prova em duas metades.
4. Resultados do laboratório 4.1. Ensaio Marshall – mistura convencional Os resultados da mistura convencional (sem borracha) são apresentados nas figuras 4, 5, 6 e 7.
Densidade Density(g/cm³) (g/cm3)
2,37 2,33 2,29
y = -0,0037x2 + 0,0383x + 2,2426 R2 = 0,9266
2,25 4,0
4,5 5,0 5,5 Asphalt cement content (%) Teor de cimento asfáltico (%)
Figura 4. Densidade – mistura convencinal
6,0
MARSHALLMarshall stability Estabilidade (kgf) (kg)
1500 1400 1300 1200
2
y = -30x + 289,4x + 575,6
1100
2
R = 0,0229
1000 4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Asphalt cement content Teor de cimento asfáltico (%) (%)
Figura 5. Estabilidade Marshall – mistura convencional
Volume de vazios (%)
Vo 10 id 8 co 6 nte 4 nt 2 (% 0 )
y = 0,5898x2 - 8,574x + 33,135 R2 = 0,9802
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
cement content TeorAsphalt de cimento asfáltico (%) (%)
Figura 6. Volume de vazios – mistura convencional
VAM (%)
19,00
y = 0,1366x2 - 0,9575x + 17,938
18,00
R2 = 0,6169
17,00 16,00 15,00 4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Asphalt cement content Teor de cimento asfáltico (%)(%)
Figura 7. Volume de vazios do agregado mineral – mistura convencional
4.2. Ensaio Marshall –misturas experimentais O ensaio Marshall das misturas com borracha resultaram nos parâmetros a seguir, e foram levados em consideração na determinação da mistura submetida aos ensaios de fadiga e módulo: 2,32 Density Densidade(g/cm3) (g/cm³)
2,30 2,28 2,26 Exp 0.7 Exp 1.1 Exp 0.4 Poly. (Exp 0.7) Poly. (Exp 1.1) Poly. (Exp 0.4)
2,24 2,22 2,20 2,18 3,5
4,0
4,5
5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 (%) Teor deAspalt cimentocement asfáltico content (%)
7,5
Figura 8. Densidade – misturas experimentais
MARSHALL stability(kgf) (kg) Estabilidade Marshall
1100 1000 900 Exp 0,7
800
Exp 1,1 Exp 0,4 Poly. (Exp 0,7)
700
Poly. (Exp 1,1) Poly. (Exp 0,4)
600 3,5
4,0
4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 Teor de cimento asfáltico (%) (%) Asphalt Cement content
7,0
Figura 9. Estabilidade Marshall – misturas experimentais
7,5
Volume vazios (%) Voidde content (%)
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2
Exp 0,7 Exp 1,1 Exp 0,4 Poly. (Exp 0,7) Poly. (Exp 1,1) Poly. (Exp 0,4)
3,5
4,5
5,5
6,5
Asphalt cement content Teor de cimento asfáltico (%) (%)
Figura 10. Volume de vazios – misturas experimentais
21
Exp 0,7 Exp 1,1 Exp 0,4
20 VAM (%)
Poly. (Exp 0,7) Poly. (Exp 1,1)
19
Poly. (Exp 0,4)
18 17 16 3,5
4,0
4,5 5,0 5,5 6,0 Teor de cimento asfáltico (%) (%) Asphalt cement content
6,5
Figura 11. Volume de vazios do agregado minetal – misturas experimentais
4.3. Resistência à tração por compressão diametral A resistência a tração por compressão diametral (figura 12) apresentou valores menores com o incremento da quantidade de borracha adicionada, ou seja, o aumento na quantidade de borracha não melhora os valores obtidos neste ensaio.
4.4. Módulo de resiliência O módulo de resiliência e a vida de fadiga foram efetuados em (a) uma mistura convencional e (b) uma mistura experimental. Os resultados do módulo de resiliência e da vida de fadiga são apresentados nas tabelas 3 e 4.
Stress (MPa) Tensão (MPa) 0,8
Exp 0,7 Exp 1,1 Exp 0,4
0,7
Poly. (Exp 0,7) Poly. (Exp 1,1) Poly. (Exp 0,4)
0,6
2
y = -0,0782x + 0,7978x - 1,3507 2
y = -0,0068x + 0,1459x + 0,0192 2
y = -0,0584x + 0,5079x - 0,328
0,5 3,5
4,0
4,5 5,0 5,5 6,0 Teor deCement cimento asfáltico Asphalt content (%) (%)
6,5
Figure 12. Resistência à tração por compressão diametral – misturas experimentais
Table 3. Módulo de resiliência – mistura de referência
Número do corpo de prova
Carga (N)
Deformação resiliente inicial (cm)
Módulo de resiliência (MPa)
Média (MPa)
2814
5120
0,00106
4306
4314
5997
0,00124
4322
4244
0,00106
3569
5120
0,00124
3691
5997
0,00088
6117
6873
0,00124
5008
2819
2827
Média geral
3630
5563
4502
Table 4. Módulo de resiliência – mistura experimental otimizada
Deformação resiliente inicial (cm)
Módulo de resiliência (MPa)
4244
0,0009
3893
5120
0,0014
3170
5997
0,0017
2970
4244
0,0011
3234
5120
0,0014
3219
5997
0,0018
2845
4244
0,0018
1992*
5120
0,0014
3185
5997
0,00195
2713
Número do Carga (N) corpo de prova
2953
2967
2962
Média geral (*) Eliminado.
Média (MPa)
3345
3100
2630
3153
4.5. Fadiga As curvas de fadiga obtidas com a mistura de referência e a mistura experimental otimizada são apresentadas na figura 13. A adição de borracha produziu a translação da curva de fadiga, resultando em valores superiores de deformação em relação ao número de ciclos. A equação da curva de fadiga da mistura experimental apresenta um expoente maior (linha de tendência plotada em escala log-log), sendo que as curvas estão mais distantes quando o número de ciclos aumenta.
1000000
-4,1295
yy == 2E-14x 2E-14x-4,1295 2 = 0,9884 R² R = 0,9884
Number cycles (N) Número deofciclos (N)
100000 -3,6204
yy== 8E-13x 8E-13x-3,6204 2 R² R == 0,8842 0,8842 10000
Reference Mistura deMixtures referência 1000
Experimental Mixtures Mistura experimental Power (Reference Potência (MisturaMixtures) de referência)
100 0,000010
Potência (Mistura experimental) Power (Experimental Mixtures) Deformação resiliente Resilience strain
0,000100
Figure 13. Fadiga – misturas de referência e experimental otimizada.
5. Dimensionamento simulado A comparação entre as misturas de referência e a mistura experimental foi efetuada através do dimensionamento de estruturas hipotéticas através do software Elsym5. A simulação foi efetuada com os mesmos materiais e espessuras para as camadas inferiores à asfáltica, com a variação do módulo de resiliência e curva de vida de fadiga desta. O número de ciclos (N) foi obtido sem a utilização de fatores campo-laboratório (tabela 5).
Table 5. Dimensionamento simulado do pavimento Número de ciclos estrutura
Deformação específica
Tipo
Ganho de vida útil no pavimento que utiliza borracha (%)
Referência
1
0.81 x 10
-4
520
-4
780
(estrutura delgada)
Experimental otimizada
0.96 x 10
2
Referência
0.62 x 10-4
1368
(estrutura média)
Experimental otimizada
0.75 x 10-4
2163
3
Referência
0.48 x 10-4
3457
(estrutura média)
Experimental otimizada
0.58 x 10-4
6251
4
Referência
0.31 x 10-4
16833
(estrutura espessa)
Experimental otimizada
0.38 x 10-4
35835
N 40000
Conventional Convencional
Experimental Experimental
35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1
2
3
Figure 15. Comparativo do dimensionamento simulado
4
Structures Estruturas
50
58
81
113
6. Conclusões Dentro da amplitude da pesquisa, a adição de borracha reciclada de pneus apresentou: A densidade da mistura asfáltica diminui com o aumento da incorporação de borracha. A estabilidade Marshall apresenta tendência de máximo com a incorporação de 0,7% de borracha. O volume de vazios e volume de vazios do agregado mineral aumentam com o aumento do teor de borracha. A adição de borracha reduz os valores de resistência à tração por compressão diametral. A mistura experimental apresentou menores valores modulares em relação à mistura de referência. O mesmo corporamento é observado em misturas com polímeros virgens. A mistura asfáltica com borracha apresentou menor sensibilidade às variações do número de ciclos. Na comparação do dimensionamento simulado, a mistura experimental apresentou vantagens em relação à de referência em todas as estruturas simuladas, sendo que os maiores ganhos foram observados em estruturas com elevadas solicitações.
7. Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer à CAPES, - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, à Fundación Mapfre, ao DER/SC – Departamento de estradas de Rodagem de Santa Catarina, às empresas Pedrita, Engisul e Iguatemi.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[DOT 88] DOTY R., Flexible Pavement Rehabilitation using Asphalt Rubber Combinations - A Report”, California State Department of Transportation, January 1988. [FHW 92] FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, “State of Practice - Design and Construction of Asphalt Paving Materials with Crumb Rubber Modifier”, Publication N. FHWA-SA-92-022, 1992. [HAN 93] HANSEN R., ANDERTON G., “A Laboratory Evaluation of Recycled Tire Rubber in Hot-Mix Asphalt Paving Systems”, ASTM Special Technical Publication STP 1193, Philadelphia, 1993, p. 69-83. [MED 99] MEDINA, J. G.; ÁNGEL del VAL M.; RAZ R. T., “Digestión del Caucho de Neumáticos Incorporado por Vía Seca a las Mesclas Asfálticas” 10° Congreso IberoLatinamericano del Asfalto, Asociación Española de la Carretera, Sevilla, 1999, tomo III, p. 2065-2074. [ROB 93] ROBERTS F., “Crumb Rubber Modifier (CRM) Technologies”, Crumb Rubber Modifier Workshop, Spokane, 1993, Session 8, 8.1-8.10. [SOU] SOUSA J. B., “Comparação da Vida à Fadiga e Deformação Permanente entre Misturas com Betume Modificado com Borracha Reciclada de Pneus e Convencionais”, 10° Congreso Ibero-Latinamericano del Asfalto, Asociación Española de la Carretera, Sevilla, 1999, tomo III, p. 2089-2101.
