Estabilidade Marshall

Estabilidade Marshall
Estabilidade: carga máxima (unidade de força) indicativa da resistência do corpo de prova à compressão diametral confinada (modo de falha não definido); Fluência: deslocamento máximo (unidade de distância) apresentado pelo corpo de prova correspondente à aplicação da carga máxima.

Procedimento Marshall
Metodologia para a Determinação do Teor Ótimo Segue uma explicação passo-a-passo do método de determinação do teor ótimo de ligante convencionalmente usado DNER. 1. Determinação das massas específicas reais dos constituintes da mistura: agregados (ASTM, 1994) e CAP, geralmente assumida 1,02 (este valor é compatível com CAP’s produzidos no país pela Petrobras). 2. Escolha da faixa granulométrica a ser utilizada (DNER, Aeronáutica, Órgão estaduais ou Municipais, etc). 3. Escolha da composição dos agregados de forma a enquadrar a mistura de agregados nos limites da faixa granulométrica escolhida. Ou seja, é escolhido o percentual em peso de cada agregado, %*, para formar a mistura.

3. Escolha da composição dos agregados: Note que neste momento não se considera ainda o teor de CAP, portanto,  %n* = 100% (onde “n” varia de 1 ao número de diferentes agregados na mistura).

4. Escolha das temperaturas de mistura e de compactação, a partir da curva viscosidade-temperatura do ligante escolhido. Tligante na hora de ser misturado ao agregado  viscosidade entre 75 e 150SSF, de preferência entre 75 e 95SSF ou 0,17±0,02Pa.s se medida com o viscosímetro rotacional. Tligante [107ºC; 177ºC] Tagregados deve ser de 10 a 15ºC acima da temperatura definida para o ligante, sem ultrapassar 177ºC. Tcompactação deve ser tal que o ligante apresente viscosidades na faixa de 125 a 155SSF ou 0,28±0,03Pa.s.

5. Adoção de teores de asfalto para os diferentes grupos de CPs a serem moldados. Cada grupo deve ter no mínimo 3 CPs. Conforme a experiência do projetista, para a granulometria selecionada, é sugerido um teor de asfalto (T, em %) para o primeiro grupo de CPs. Os outros grupos terão teores de asfalto acima (T+0,5% e T+1,0%) e abaixo (T-0,5% e T-1,0%).

6. Após o resfriamento e a desmoldagem dos CPs, obtém-se as dimensões do mesmo (diâmetro e altura). Determinam-se para cada CP suas massas seca (MS) e submersa em água (MSsub). Com estes valores é possível obter a massa específica aparente dos CPs (Gmb), que por comparação com a massa específica máxima teórica (Gmm = DMT), vai permitir obter as relações volumétricas típicas da dosagem. Ms Balança Balança Psub

7. A partir do teor de asfalto do grupo de CPs em questão (%a), ajusta-se o percentual em peso de cada agregado, ou seja, %n = %n*  (100% - %a) onde %n é o percentual em peso do agregado “n” na mistura asfáltica já contendo o asfalto. Note que enquanto  %n* = 100%, após o ajuste,  %n = 100% - %a. Ajuste do percentual em peso dos agregados em função do teor de asfalto

8. Com base em %n, %a, e nas MASSAS ESPECÍFICAS REAIS dos constituintes (Gi), calcula-se a Densidade Máxima Teórica da mistura (DMT=Gmm) correspondente ao teor de asfalto considerado. Esta densidade corresponde a massa específica Gmm e é dada por:

> > Procedimento Marshall VAM = f(Gsa) real VAM f(Gsa) real
8. Melhor seria DETERMINAR a massa específica Gmm: VAM = f(Gsb) aparente VAM = f(Gsa) real VAM f(Gsa) real VAM f(Gse) efetiva VAM f(Gsb) aparente > > VAM = f(Gse) efetiva

> > Vv = f(Gsb) aparente Vv = f(Gsa) real Vv = f(Gse) efetiva
8. Melhor seria DETERMINAR a massa específica Gmm: Vv = f(Gsb) aparente Vv = f(Gsa) real Vv = f(Gse) efetiva Vv f(Gsa) real Vv f(Gse) efetiva Vv f(Gsb) aparente > >

9. Cálculo dos parâmetros de dosagem para cada CP: Volume dos corpos de prova: Massa Específica Aparente da mistura: Volume de vazios Vazios do agregado mineral Vazios com betume Relação betume-vazios

10. Após as medidas volumétricas, os CPs são submersos em banho-maria a 60C por 30 a 40 minutos. Retira-se cada CP colocando-o imediatamente dentro do molde de compressão. Determinam-se por meio da prensa Marshall, os seguintes parâmetros mecânicos resultantes da curva obtida: Estabilidade (N): carga máxima Fluência (mm): deslocamento máximo. No Brasil, grande parte dos laboratórios dispõe de prensas Marshall que usam anel dinamométrico para leitura da carga e um medidor mecânico de fluência, não permitindo a obtenção da curva mostrada, tendo, portanto, pouca precisão nos parâmetros.

Marshall Com todos os valores dos parâmetros volumétricos e mecânicos determinados, são plotadas 6 curvas em função do teor de asfalto, que podem ser usadas na definição do teor de projeto

Escolha do Teor Ótimo O método de dosagem Marshall pode apresentar diversas alternativas para escolha do teor de projeto de ligante asfáltico. NAPA (1982): escolha primordialmente para camadas de rolamento em concreto asfáltico baseada somente no Vv (4%), ou o Vv correspondente à média das especificações. No Brasil, a escolha do teor de projeto correspondente a um Vv de 4% também é adotada no estado de São Paulo pela DERSA. Observa-se distinção de procedimentos para definição do teor de projeto dependendo do órgão, empresa ou instituto de pesquisa. É comum a escolha se dar a partir da estabilidade Marshall, da massa específica aparente e do Vv. Nesse caso, o teor de projeto é uma média de 3 teores, correspondentes aos teores associados à máxima estabilidade, à massa específica aparente máxima da amostra compactada e a um Vv de 4% (ou média das especificações)

Representação esquemática dos grupos de corpos de prova
Procedimento Marshall Os parâmetros determinados no passo 9 são correspondentes a cada corpo de prova. Os valores de cada grupo são as médias dos valores dos corpos de prova com o mesmo teor de CAP. Representação esquemática dos grupos de corpos de prova

A metodologia utilizada seleciona o teor ótimo a partir dos parâmetros de dosagem Vv e RBV. Com os cinco valores de Vv e RBV obtidos nos grupos de corpos de prova é possível traçar um gráfico do teor de CAP (no eixo “x”) versus Vv (no eixo “y1”) e RBV (no eixo “y2”). Adicionam-se então linhas de tendência para os valores dos dois parâmetros. O gráfico deve conter ainda os limites específicos das duas variáveis indicados pelas linhas tracejadas e apresentados na Tabela 5. A partir da interseção das linhas de tendência do Vv e do RBV com os limites respectivos de cada um destes parâmetros, são determinados quatro teores de CAP (X1, X2, X3 e X4). O teor ótimo é selecionado tomando a média dos dois teores centrais, ou seja, teor ótimo = (X2 + X3) / 2.

Limites de Vv e RBV para diferentes faixas granulométricas Ampliar + Teor de CAP versus Vv e RBV Ampliar +

Limites de Vv e RBV para diferentes faixas granulométricas
Procedimento Marshall Limites de Vv e RBV para diferentes faixas granulométricas Voltar <

Teor de CAP versus Vv e RBV
Procedimento Marshall Teor de CAP versus Vv e RBV RBV mín Vv máx Vv mín Vv RBV máx RBV Tótimo X1 X2 X3 X4 Voltar <

Exercício Considere um CAP 50/60 com densidade 1,02. Três corpos de prova (CP1, CP2 e CP3) de um CBUQ são moldados com este CAP com teores 5,5%, 6,0% e 6,5%, respectivamente (um corpo de prova com cada teor). Os resultados da densidade teórica máxima de cada mistura, juntamente com os pesos dos corpos de prova seco e imerso, são apresentados na Tabela abaixo. Determine o volume e a densidade aparente dos corpos de prova, bem como os demais parâmetros usados na determinação do teor ótimo (Vv, VCB, VAM, RBV). Baseado somente no Vv, qual o teor de CAP que você escolheria? Por quê?

Exercício - Resolução 507, , ,9

Exercício - Resolução 507, , ,9 2, , ,349

Exercício - Resolução 507, , ,9 2, , ,349 4, , ,3

Exercício - Resolução 1,02 g/cm3 507,5 505,1 504,9 2,229 2,334 2,349
507, , ,9 2, , ,349 4, , ,3 12, , ,7

Exercício - Resolução 507, , ,9 2, , ,349 4, , ,3 12, , ,7 17, , ,2

Exercício - Resolução 507, , ,9 2, , ,349 4, , ,3 12, , ,7 17, , ,2 73, , ,8

Exercício - Resolução

Exercício - Resolução Portanto o teor de projeto de CAP
Faz-se a média dos termos centrais Portanto o teor de projeto de CAP determinado graficamente é de 5,9%. (X1 + X3)/2 = (5,65 + 6,15)/2 = 5,9

Valor ótimo do teor de CAP encontrado
Exercício - Resolução Vv (%) < 4% Observa-se uma deformação permanente excessiva. Observa-se problemas de envelhecimento devido à oxidação e à troca excessiva de calor. Vv (%) > 4% Tomando como base somente o volume de vazios, adotamos um valor de 4%. Valor ótimo do teor de CAP encontrado graficamente. 5,8%

Virtudes Análise volumétrica criteriosa Equipamento portátil e relativamente barato Permite controle de qualidade em campo Falhas Compactação não simula a que ocorre em campo O parâmetro mecânico adotado (Estabilidade Marshall) não estima adequadamente a resistência da mistura Não assegura projetos de misturas não susceptíveis a afundamento Crescente sentimento no mundo que o método já está ultrapassado

A seguir: aspectos recentes
Alguns estudos sobre novas tendências em dosagem de misturas asfálticas: Uso da tomografia para avaliar a compactação laboratório x campo Misturas preparadas com temperaturas mais baixas que as usuais visando diminuir o envelhecimento do ligante na usinagem: misturas mornas.

Uso da Tomografia Computadorizada para o Estudo de Misturas Asfálticas
Nascimento et al., 2006 (CENPES) Distribuição dos vazios com ar Simulação 1 – Superpave 150 e 100mm Simulação 2 – Superpave Núcleo e Marshall And now, something different: I mentioned earlier the results of the tomography analysis with a 3 dimensional image. What you will see now, is a simulation of the air void distribution inside a samples. In simulation 1, the center sample is a field core and the other two Superpave 150 and 100 milimeters, on the left and right respectively. In simulation 2, we have the same field core in the center and Superpave core and Marshall samples on the left and right. As the images rotate, you will notice the samples become transparent and the internal air voids will appear in suspension. Show simulations Obviously, I can not explain in a few minutes hours of analysis work on these images. Suffice to say, that the field core sample shows higher void content, about 7% against 4% in the Lab samples, excluding the Superpave Core. And, the gradation of the field core is finer than the Lab samples. CPs Marshall x Superpave x Campo: Estrutura interna bem diferente Orientação dos agregados mais vertical e randômica Distribuição dos vazios mais aleatória Efeito de borda lateral: CPs extraídos → densificação Moldados → elevado teor de vazios

Distribuição dos Vazios com Ar
Marshall: Verticalmente → distribuição randômica com maior densificação na parte inferior do CP Radialmente → distribuição relativamente uniforme com menor densificação na região externa Marshall Externa Intermediária Central Todo CP Superpave 100mm Superpave 100mm: Verticalmente → distribuição simétrica com forte densificação no meio do CP Radialmente → maiores densificações nas regiões central e intermediária Let me explain the colors in the air void distribution graphs: Red is external area Blue the intermediate And green the center The black dotted line is the overall air void distribution The top graph is the Marshall sample, where: Vertically there is a random distribution without densification in the middle. And, horizontally, there is a uniform distribution with moderate densification in the center and intermediate areas. In the Superpave 100mm graph below, we have vertically a symmetrical distribution with a high uniform densification in the middle. And, horizontally, a higher densification in the center and intermediate areas. Both mixes show a low densification in the external area due to border effect.

Superpave Núcleo: Superpave 150mm:
Marshall Superpave 100mm Superpave Núcleo: Distribuição muito uniforme e porcentagem muito baixa de vazios quando comparado com a amostra original Superpave Núcleo Externa Intermediária Central Todo CP Superpave 150mm The results of these samples are, briefly: The superpave core presented a very uniform distribution and much lower air void content than the original sample, both horizontally and vertically. On the other hand, the superpave 150mm sample was very similar to Superpave 100mm, but with a more sparse distribution in the center. Superpave 150mm: Muito similar ao Superpave 100mm, porém com densificação mais gradual na direção radial

Verticalmente → distribuição muito parecida com a dos CPs Superpave
Marshall Superpave 100mm Superpave Núcleo Superpave 150mm CPs oriundos da pista: Verticalmente → distribuição muito parecida com a dos CPs Superpave Radialmente → efeito de borda inverso ao dos CPs de laboratório → “colmatação” Pista Here we have two graphs of the field core samples. The first is one specific sample and the other is an average plot of all the field core samples, in terms of overall air void distribution. I will just highlight the vertical distribution where the relatively low densification in the middle area, when compared to Superpave, but higher densification when compared to the Marshall samples. Externa Intermediária Central Todo CP

Misturas Mornas As zeólitas englobam um grande número de minerais naturais e sintéticos que apresentam características comuns. São alumino-silicatos hidratados altamente cristalinos de metais alcalinos ou alcalinos terrosos. São compostas de uma rede tridimensional de tetraedros de AlO4 e SiO4 ligados entre si nos vértices pelos átomos de oxigênio, originando assim uma estrutura microporosa do tipo TO4 (T = Si, Al, etc), compensada eletronicamente por outros cátions, como por exemplo Na, K, Ca, Mg

Misturas Mornas

Misturas Descontínuas

S M A CA

Misturas Tipo SMA O que difere na dosagem em relação ao que foi visto na dosagem Marshall de um concreto asfáltico é basicamente a curva granulométrica diferente e a presença de fibras adicionadas. Para dosar a fibra existem métodos especiais: um deles é o de escorrimento, mostrado a seguir. Utiliza-se compactador Marshall, 50 golpes por face. Normalmente CAP modificado por polímero. Exemplo ilustrativo a seguir (Mourão, 2003).

Exemplo: Asfalto-Borracha em Fortaleza

Exemplo de Materiais de Mistura SMA
Projeto da Mistura Limites da faixa SMA 0/11S alemã Traço Médio Estudado Limite Inferior – SMA 0/11S Limite Superior – SMA 0/11S Passante em Peso (%) Abertura das Peneiras (mm) Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA – Por: Fabricio Augusto Lago Mourão

Projeto da Mistura Gerando 6 misturas diferentes. Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA – Por: Fabrício Augusto Lago Mourão

Projeto da Mistura Comparação entre as Faixas Granulométricas SMA – Faixa 0/11S ALEMÃ CBUQ – Faixa B do DNER CPA – Faixa III do DNER Passante em Peso (%) Abertura das Peneiras (mm) Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA – Por: Fabricio Augusto Lago Mourão

Projeto da Mistura Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA – Por: Fabrício Augusto Lago Mourão

Ensaios nas Misturas Asfálticas SMA
Determinação das características de escorrimento de Misturas Asfálticas Não Compactadas – AASHTO T 305/97 Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA – Por: Fabrício Augusto Lago Mourão

Determinação da Resistência de Misturas Asfálticas Compactadas ao Dano por Umidade Induzida – AASHTO T 283/89 Para Mistura 1A RRT = 0,87 Para Mistura 1B RRT = 0,88 Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA – Por: Fabrício Augusto Lago Mourão

Determinação da Densidade Máxima Medida de Misturas Asfálticas, Gmm (DMM Método Rice) – ASTM D Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA – Por: Fabrício Augusto Lago Mourão

Características físicas dos corpos de prova Densidade Teórica: Média ponderada Densidade Aparente: DNER ME 117/94 Ampliar + DMM: ASTM D 2041/00; Densidade Aparente: ASTM D 2726/00 Ampliar + Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA – Por: Fabrício Augusto Lago Mourão

Voltar < Densidade Teórica: Média ponderada Densidade Aparente: DNER ME 117/94

Voltar < DMM: ASTM D 2041/00 Densidade Aparente: ASTM D 2726/00

Determinação da Resistência à Tração por Compressão Diametral - RT Relação RT X Misturas 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 Resistência à Tração – RT (Mpa) 1A 1B 2A 2B 3A 3B Mistura Temperatura de ensaio: 25°C Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA – Por: Fabrício Augusto Lago Mourão

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