Avaliação da Técnica de Reciclagem a Frio de Capa com Emulsão Polimerizada

Helena Marcandali da Silva (USP), Liedi Legi Bariani Bernucci (USP) e José Mário Cortes Chaves (OHL Brasil)

Co-Participantes: Carlos Magno Cardozo Candeias (OHL Brasil), Arnaldo da Silva Junior (Paulista Infraestrutura), Daniele Rodrigues dos Santos (Paulista Infraestrutura), André Felipe Vale (Dynatest) e Vagner Alba (CDT Paulista)

Este trabalho apresenta a avaliação do processo de restauração de pavimentos rodoviários asfálticos deteriorados através de reciclagem a frio in situ com uso de emulsão asfáltica polimerizada e estudo do desempenho deste material aplicado em estruturas similares com variações na camada de rolamento de pista experimental. O processo consiste na extração do material envelhecido existente na pista, retirando espessura determinada em projeto, suficiente para corrigir defeitos tais como trincamento, “panelas”, exsudação, corrugação, dentre outros, sendo possível a utilização de todo o material, mesmo após sucessivos recapeamentos. A utilização do material extraído depende de um processo de beneficiamento, no qual o material é reduzido a dimensões adequadas, e recebe adição complementar de cal ou cimento e de emulsão asfáltica. Dois trechos da pista teste foram submetidos à simulação de tráfego, com equipamento de escala real, e o desempenho foi medido em função das deflexões. A pista experimental foi monitorada por meio de levantamentos deflectométricos e de avaliação de condição de superfície face aos esforços atuantes, tendo apresentado resultados coerentes, sem apresentar indícios de envelhecimento precoce.

1. Introdução

A implantação de novas tecnologias em pavimentação tem sido crescentemente motivada com o objetivo de se alcançar a maior durabilidade e qualidade dos pavimentos restaurados, promovendo constante conforto e segurança aos usuários, considerando ainda a diminuição dos impactos ambientais, causados pela aplicação de técnicas de eficiência insuficiente à preservação do meio ambiente. As inovações introduzidas configuram diferentes materiais e especificações executivas além da busca por resultados capazes de prever o desempenho e o nível de intervenções a que o pavimento estará sujeito durante seu período de serviço; desta forma, este trabalho explora o desempenho do pavimento submetido à reciclagem, aplicada em trecho experimental da Rodovia Régis Bittencourt.

Esta pesquisa encontra justificativa no desafio e urgência da reabilitação de pavimentos, na necessidade de destinação ao material envelhecido e ainda no potencial de aplicação deste material em novas misturas. O reuso dos materiais agregados representa uma alternativa viável de aplicação deste, para atender a legislação sobre manejo ambiental de agregados (DNER, 2000). A restauração por meio de reciclagem se caracteriza pelo reaproveitamento total ou parcial de camada existente, submetido a processo de mistura em equipamento apropriado, compondo uma nova mistura homogênea, juntamente com a adição de novos elementos, e com intuito de reaplicação de camada destinada a resistir novamente aos esforços do tráfego e condições ambientais. Este estudo pretende avaliar o desempenho de trecho experimental submetido ao processo de reciclagem a frio in situ com uso de emulsão modificada por polímero.

As etapas que integram o processo de reciclagem afetam diretamente a durabilidade da mistura, com potencial para diminuir consideravelmente a vida útil do pavimento, quando da aplicação de materiais e métodos disformes, influenciando os custos finais deste processo (FHWA, 1997). A reciclagem de pavimentos não teve ainda estudos suficientes para definir condições de aplicação em função dos resultados apresentados. É uma tecnologia relativamente nova sem avaliação de desempenho por modelos que apresentem confiabilidade ou procedimentos para avaliação e determinação de vida útil através de ensaios acelerados. Modelos de previsão de desempenho são muito importantes no sistema de gerência de pavimentos, para tanto são necessários métodos de calibração e validação desses modelos e que os modelos sejam representativos das condições funcionais e estruturais. Por essas razões, a pesquisa procura avaliar comportamento em relação à deformação permanente, à fadiga, à textura superficial, às deflexões e à evolução de trincamento e ao final conseguir estimar a vida de serviço e as condições de serviço deste pavimento exposto ao já conhecido tráfego.

O uso de equipamento simulador de tráfego em escala real acelera a obtenção dos resultados, uma vez que o equipamento submete a estrutura aos esforços de um semi-eixo de roda dupla com carga definida pela pesquisa e acionado por um sistema hidráulico, simulando um veículo comercial em sucessivas passagens definidas como ciclos. O processo ininterrupto abrevia o período necessário para avaliação de desempenho deste pavimento. Entretanto, o equipamento apresenta uma série de variáveis que o distingue do tráfego real, implicando consequentemente em resultados com reservas.

2. Projeto

A estrutura avaliada recebeu variações com vistas às comparações sob condições diversas. A rodovia escolhida tem elevado volume de tráfego composto por aproximadamente 60% de veículos comerciais, supondo ainda a possibilidade de veículos com excesso além da carga máxima legal. Esses veículos trafegam com velocidade baixa, em torno de 50 km/h, acentuando danos, especialmente no que tange à deformação permanente. O trecho escolhido da Rodovia Régis Bittencourt está posicionado entre os km 433+000 a 435+750, sentido norte e foi escolhido a partir de avaliações in loco, devido à similaridade das condições de superfície, condições estruturais (figuras 01 e 02) e características de tráfego muito semelhantes, sendo estas características consideravelmente representativas da rodovia, permitindo que os resultados sejam extrapolados para outros trechos. A homogeneidade de características determina o projeto da mistura, que deve ser específico para cada sub-trecho homogêneo (DER, 2006).

Figura 01 – Camada de rolamento antes da intervenção

Figura 02 – Trincamento e tráfego elevado na pista experimental

A reciclagem foi executada com equipamento destinado exclusivamente a este fim, conhecido como trem de reciclagem, que soma todas as etapas numa determinada sequência, sendo ele móvel e independente de usina ou canteiros fixos (figura 03). A utilização de equipamento apropriado garante a fresagem da espessura estipulada com variações máximas de 0,3 cm (figura 04), gerando textura superficial uniforme (DER, 2006) e material agregado correspondente à faixa granulométrica especificada, o que garante mistura homogênea nos padrões de dosagem. O processo de execução disponível pelo equipamento é o tratamento de misturas a frio, método que propicia considerável redução no consumo de energia e emissão de gases poluentes, além de não adicionar deterioração ao material fresado, uma vez que este não trabalha exposto a altas temperaturas. A abertura ao tráfego ocorre após duas horas da compactação, desde que não constatado o desprendimento de agregados (DER, 2006).

Figura 03 – Trem de reciclagem

Figura 04 – Mistura reciclada a frio

A definição do teor de emulsão depende das condições do agregado encontrado no campo e, para tanto, são necessários ajustes que incrementem as características de coesão da mistura. A dosagem da mistura reciclada baseou-se no teor de betume residual extraído do agregado da pista, e no comportamento da mistura face às variações de teor de umidade e teor de emulsão. O processo de dosagem também contemplou a avaliação de cal ou cimento como aditivo, em teores de 1%. Os parâmetros volumétricos, bem como ensaios de Resistência à Tração por Compressão Diametral e Perda por Umidade Induzida foram analisados segundo critérios preconizados pela Asphalt Recycling and Reclaimed Association - ARRA (2001). Em função dos resultados obtidos em laboratório e dos objetivos da pesquisa, optou-se por testar misturas diferentes, conforme descrito no tópico seguinte.

3. Pista teste

A concepção do projeto de pesquisa previu a execução de segmentos variando-se a espessura da camada de material reciclado, variação no aditivo utilizado, cal ou cimento e variação no tipo de revestimento asfáltico aplicado sobre a camada de material reciclado, selando o material reciclado. A Figura 05 mostra de forma esquemática a subdivisão dos nove segmentos, alterando-se estas configurações e do trecho referência, e ainda suas configurações por faixa.

Figura 05 – Divisão esquemática da pista experimental na Rodovia Régis Bittencourt

As variações propostas nas espessuras de reciclagem foram determinadas primordialmente em função da espessura da camada de revestimento envelhecido existente de 15 cm. A primeira opção contemplou a reciclagem de toda a espessura da camada. A segunda opção, de 11 cm, objetivou reciclar 70% da espessura total, isso porque pesquisas internacionais indicam que para mitigar a reflexão do trincamento, é necessário restaurar no mínimo essa porcentagem, sendo que a camada reciclada inibe a reflexão de trincas, dado o elevado volume de vazios da mistura, além da substituição de camada trincada por camada íntegra. A espessura final de 8 cm visa testar a eficiência da reciclagem quando executada na menor espessura possível do equipamento, quanto à correção de defeitos como “panelas”, corrugações e exsudação, defeitos passíveis de correção por meio da reciclagem; além disso, é uma espessura considerada adequada para fins comparativos com as demais espessuras.

O objetivo ao se testar duas estruturas diferentes que receberam o mesmo processo de reciclagem foi definir a necessidade de uso de capa de rolamento e a espessura necessária. A camada de rolamento de CBUQ foi proposta como incremento estrutural, apesar de delgada (figura 06); a camada de microrrevestimento atua como camada selante, impedindo o acesso do tráfego e de intempéries diretamente na camada reciclada (figura 07).

A pesquisa contemplou ainda a construção de um trecho de referência, o qual foi fresado na espessura de 4 cm e recomposto por CBUQ em 5 cm, constituindo-se como a alternativa usualmente adotada em restaurações. O pavimento envelhecido apresentava trincamento classe FC 3 com erosão nas bordas, e o segmento de referência não recebeu nenhum tipo de tratamento para conter este trincamento.

Figura 06 – Segmento reciclado com capa de rolamento de CBUQ

Figura 07 – Segmento reciclado com capa de rolamento de microrrevestimento

4. Monitoramento

O desempenho do trecho experimental foi atentamente acompanhado com o auxílio de medições periódicas das condições de superfície e estruturais. A tabela 01 apresenta os resultados relativos ao Índice de Gravidade Global da pista, em quatro campanhas. Os valores descritos referem-se à média para cada segmento e ainda acumulam erro devido à parte subjetiva do levantamento; essas medidas revelam, contudo, o excelente desempenho dos segmentos que receberam capa de rolamento de CBUQ.

Os segmentos reciclados com adição de cal apresentaram problemas desde o processo de reciclagem, tendo sofrido diversas intervenções para correção de defeitos de superfície. Este comportamento está sendo associado a dois fatores principais: deficiência de drenagem e reação do agregado com a cal. Os valores de IGG encontrados na figura 08 revelam os benefícios das intervenções, melhorando as condições superficiais.

Apesar de relativa deficiência no monitoramento do segmento de referência, o qual foi fresado e recomposto em 5 cm de CBUQ, as condições atuais apresentam reflexão de trincas como principal defeito, cerca de 57%, confirmando que a camada trincada necessita de tratamento para conter a reflexão desse trincamento.

Tabela 01 – Índice de Gravidade Global – IGG

As medidas de deflexão também foram realizadas em quatro campanhas nas duas faixas (figuras 08 e 09), sendo a primeira campanha, outubro/2008, antes do processo de reciclagem, quando as deflexões estavam consideravelmente altas e indicavam a baixa condição estrutural do trecho, além de indicar pontos com problemas de drenagem. Desta forma, foram executados drenos por todo o trecho experimental, antes da restauração.

A restauração iniciou em novembro/2009 e nesta etapa foi executada a reciclagem das duas faixas de tráfego, por toda a extensão do trecho, e após três meses foram executadas as capas de rolamento de CBUQ e microrrevestimento; este período de espera entre as camadas é fundamental para assegurar a cura da camada reciclada (DNER, 2000). As campanhas realizadas após a restauração estão apresentadas de forma segmentada, a fim de evidenciar o desempenho de cada segmento do trecho experimental, sem que estes sejam influenciados pelos dados interligados aos demais segmentos. Em março/2009, uma nova campanha de medição de deflexão foi realizada, revelando diminuição significativa nas deflexões comparadas aos valores medidos antes da restauração, para ambas as faixas de rolamento.

Figura 08 – Medidas de deflexão com equipamento FWD - Faixa I

A terceira campanha realizada em junho/2009 indica deflexões menores do que as deflexões medidas em março/2009, sendo esta queda atribuída às baixas temperaturas registradas nesse período, à menor incidência de chuvas e ainda ao ganho de resistência esperado do material reciclado com adição de cimento e cal.

A mais recente campanha foi realizada em março/2010, caracterizando um período de um ano após a conclusão dos trabalhos de restauração, estando o pavimento reciclado exposto ao elevado tráfego da rodovia, com número N atuante na ordem de 107. Esta medida revelou aumento em relação às medidas de junho/2009 e março/2009, conforme esperado, representando ainda bom desempenho do trecho experimental.

Figura 09 – Medidas de deflexão com equipamento FWD - Faixa II

Os dados relativos à temperatura e precipitações também foram adicionados ao monitoramento, a fim de identificar o máximo de variáveis que interferem no desempenho do pavimento (figura 10). O trecho tem programação de monitoramento, com o objetivo de acompanhar o processo de envelhecimento deste material sob as diferentes configurações de aplicação.

Figura 10 – Temperatura e precipitação no período da pesquisa

5. Simulador de tráfego móvel

Como forma de análise de desempenho, utilizou-se o equipamento simulador de tráfego, que opera em uma das faixas de tráfego, e que consiste de um semi-eixo que se movimenta alternadamente no sentido longitudinal com deslocamentos de até 9 m. Dessa forma, a combinação da velocidade de deslocamento longitudinal do semi-eixo com os demais recursos do equipamento, ou seja, deslocamento transversal e carga aplicada, permitem reproduzir em curtos períodos de tempo e com relativa aproximação da realidade as consequências da ação das cargas do tráfego nas estruturas de pavimento (figuras 11, 12 e 13).

Figura 11 – Simulador de tráfego móvel

Figura 12 – Semi-eixo em deslocamento longitudinal

Figura 13 – Área de atuação com monitoramento

O segmento de 7 metros submetido ao simulador, subdividido a cada metro, esteve monitorado por medições diárias de deflexão com viga Benkelman, afundamento na trilha de roda por treliça, evolução do trincamento, macrotextura por mancha de areia e microtextura por Pêndulo Britânico. Também foram adicionados aos dados da pesquisa, os levantamentos pluviométricos e de temperatura efetuados na região. Os critérios para determinação de término de vida de serviço consideram primordialmente deformação permanente e trincamento, e ainda aumento acentuado de deflexão.

Dois segmentos foram simulados, sendo o primeiro com estrutura reciclada em 11 cm com adição de cimento e 4 cm de camada de rolamento de CBUQ, e o segundo com estrutura reciclada em 11 cm com adição de cimento e capa de rolamento de microrrevestimento.

Os segmentos simulados não tiveram medidas de deformação permanente, sendo, desta forma, o trincamento somado ao aumento de deflexão considerados fatores preponderantes nas medidas de desempenho dos pavimentos. O critério final de vida de serviço determinado foi o trincamento classe FC 3. Os dados dependem de avaliação mais específica.

6. Considerações finais

A investigação da natureza dos defeitos, antes da intervenção, pode direcionar acertadamente a técnica para restauração, resultando em pavimentos mais duráveis com condições adequadas de trafegabilidade e, consequentemente, resulta em economia dos recursos materiais disponíveis.

As estimativas de vida de fadiga, no entanto, são mais complexas, em virtude das variações já citadas entre o simulador e o tráfego real. A avaliação dos segmentos que receberam simulação de tráfego podem ser melhor compreendidas com a realização de medidas de deflexão próximas ao ponto instalado, sem exposição ao tráfego regular, permitindo que sejam separados os efeitos de carga e clima. Uma vez que existem muitas variáveis envolvidas nos processos de vida de fadiga, os resultados devem ser analisados de forma estatística, advertindo que os danos causados pelo equipamento simulador de tráfego são indicativos de comportamento, mas não conclusivos. Além disso, a compreensão dos dados depende da ponderação entre os dados de tráfego e do simulador, sem que haja necessariamente uma relação de equivalência entre ambos.

A extrapolação dos resultados indica que os comportamentos das estruturas avaliadas tendem a ser equivalentes ao descrito por ARRA (2001), no qual são sugeridos períodos de vida útil esperada após os tratamentos testados como 7 a 15 anos para reciclagem com reforço de CBUQ e de 6 a 8 anos para reciclagem com tratamento superficial.  Contudo, a pesquisa não está concluída, de modo que os danos pela exposição ao tráfego real serão monitorados a fim de confirmar estes resultados preliminares.

7. Referências bibliográficas

ARRA - Asphalt Recycling and Reclaiming Association. Basic Asphalt Recycling Manual. Annapolis/EUA, 2001.

DER - Departamento de Estradas de Rodagem. Fresagem de pavimento asfáltico - Especificação técnica - ET-DE-P00/034. 2006.

DER - Departamento de Estradas de Rodagem. Reciclagem de pavimento asfáltico in situ com emulsão - Especificação técnica - ET-DE-P00/038. 2006.

DNER – ES 405/2000 – Reciclagem de pavimento a frio in situ com espuma de asfalto. Rio de Janeiro, 2000.

DNER - ME 107/94 - Mistura betuminosa a frio, com emulsão asfáltica - Ensaio Marshall. Rio de Janeiro, 1994.

FHWA - Pavement Recycling Guidelines for State and Local Governments - FHWA-SA-98-042. Washington, 1997.