1. Introdução

Os pneus inservíveis correspondem aos pneus usados que não podem ser reaproveitados por meio de reformas, por apresentarem danos irrecuperáveis em sua estrutura. Esses pneus correspondem a uma das maiores e mais problemáticas fontes de resíduos, devido ao grande volume de pneus produzidos e ao longo tempo que eles levam para se decompor. Além disso, os pneus inservíveis tornam-se ameaças à saúde humana e ao meio ambiente quando são descartados de forma inadequada (^{Lo Presti, 2013}).

No Brasil, a forte dependência do modo rodoviário para o transporte de cargas e pessoas, impulsiona o mercado de pneus e, consequentemente, a geração de resíduos de pneus. Essa dependência eleva os custos operacionais de transporte, acelera o aparecimento de defeitos nos pavimentos e a necessidade de obras de conservação e manutenção. Portanto, a utilização do asfalto-borracha em obras de pavimentação é uma alternativa viável, não só para proteger o meio ambiente, mas também para diminuir os custos operacionais de transporte no país.

O asfalto-borracha apresenta inúmeras vantagens em relação ao asfalto convencional, como menor índice de penetração, flexibilidade e ductilidade sob baixas temperaturas, maior resistência à deformação permanente, maior resistência ao aparecimento de trincas sob baixas temperaturas e maior resistência à fadiga (^{Yetkin, 2007}; ^{Palit et al., 2004}; ^{Xiang et al., 2009}). Outras vantagens incluem maior vida útil, menores custos de conservação e manutenção, redução do envelhecimento da mistura asfáltica e redução do ruído do tráfego (^{Sol-Sánchez et al., 2020}; ^{Lee et al., 2008}; ^{Navarro et al., 2004}; ^{Chiu et al. Lu, 2007}; ^{Bueno et al., 2014}; ^{Ding et al., 2017}).

Apesar dos benefícios, o asfalto-borracha ainda não é amplamente aceito e utilizado. Isso ocorre por dois motivos. O primeiro é a falta de treinamento profissional, em termos de domínio das várias técnicas e compreensão de algumas variáveis (por exemplo, teor de borracha, dimensões das partículas de borracha, superfície da borracha e estocagem). Segundo, faltam políticas públicas locais que estimulem o uso do asfalto-borracha (^{Lo Presti, 2013}; ^{Picado-Santos et al., 2020}).

O uso do asfalto-borracha ainda é baixo, no Brasil. No país, falta mão de obra especializada (^{Thives, 2009}) e políticas públicas que incentivem o uso desse material. Assim, um dos objetivos deste estudo foi avaliar o desempenho mecânico de misturas asfálticas a quente (MAQ). As misturas foram produzidas com quatro tipos de ligantes: (i) asfalto-borracha comercial (AB08), (ii) asfalto-borracha 10% (AB10) e (iii) 15% (AB15) ambos produzidos em laboratório com resíduo de borracha de pneus, e (iv) asfalto convencional, ou seja, ligante asfáltico com penetração entre 50-70 (PEN 50-70), que é usual para pavimentação no Brasil. Além disso, objetivou-se também analisar a eficácia da faixa de agregados dominante (FAD), método de previsão de deformação permanente em misturas asfálticas, bem como analisar a influência do método de compactação (Marshall ou Superpave) no desempenho mecânico das misturas.

No Brasil, a especificação para a seleção granulométrica das misturas asfálticas fundamenta-se no enquadramento dos agregados em faixas granulométricas, sugeridas pelo Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT). Este método consiste em um procedimento de tentativa e erro, onde as proporções dos agregados componentes da mistura são ajustadas para o enquadramento nos limites dessas faixas. Portanto, este método não leva em consideração os efeitos da distribuição de agregados no comportamento mecânico das misturas asfálticas. Isso pode resultar em misturas com menor estabilidade e menor resistência à deformação permanente. Portanto, o conceito de porosidade FAD foi utilizado neste estudo para avaliar a deformação permanente de misturas asfálticas.

A FAD é um método racional para selecionar a composição granulométrica das misturas asfálticas. O método é de simples aplicação e utiliza apenas um parâmetro, a porosidade FAD, que independe do tamanho nominal máximo da mistura asfáltica. Nesse método, considera-se que misturas com porosidade superior a 50% não proporcionam boa interação entre os agregados, o que as tornam menos resistentes à deformação permanente. Estudos anteriores mostram a eficiência da aplicação deste método para obter um design adequado de dosagem, com menor propensão a desenvolver deformação permanente (^{Greene et al., 2014}; ^{Kim et al., 2009}). Portanto, o método FAD foi utilizado para verificar a eficiência da escolha da composição da matriz de agregados.

Neste trabalho, o teor ótimo de asfalto foi determinado usando o design Marshall, uma vez que este método ainda é o mais utilizado no Brasil. Posteriormente, para a realização dos ensaios mecânicos, os corpos-de-prova foram moldados com compactadores Marshall e Superpave. Em estudos anteriores com outros materiais que também utilizaram essas duas compactações, verificou-se que corpos-de-prova compactados com Superpave tendem a apresentar melhores resultados em ensaios mecânicos. Esses melhores resultados geralmente são atribuídos à maior eficiência da compactação por amassamento utilizada pelo Superpave, em relação à compactação por impacto utilizada no Marshall (^{Assis et al., 2017}). Assim, neste trabalho, foram comparados os resultados obtidos com as duas formas de compactação.

2. Procedimento

3. Resultados e discussões

3.2 Composição Granulométrica das misturas

A Figura 1 apresenta a composição granulométrica das misturas asfálticas. A curva granulométrica é composta por: (1) 21% de brita 3/4'', (2) 30% de brita 3/8'' e 49% de pó de pedra. Esta composição foi utilizada para as quatro misturas asfálticas, e foi obtida por meio de um processo de tentativas, para que a curva granulométrica se enquadrasse nos limites da Faixa C especificados na norma ^{DNIT ES 031/2006}.

Figura 1 Curva Granulométrica das Misturas. 

A composição granulométrica foi testada pelo método FAD, para prever se as misturas asfálticas teriam uma boa resistência à deformação permanente. Para aplicação do método FAD foi elaborado o diagrama de interação, apresentado na Figura 2. Esse diagrama permitiu definir quais os intervalos de agregados graúdos comporiam a FAD.

Figura 2 Diagrama de Interação entre agregados  

De acordo com a Figura 2, as faixas de 12,7-9,5, 9,5-4,8 e 4,8-2,0 mm possuem agregados com granulometria superior a 1,18 mm. Além disso, a razão entre a porcentagem de material retido entre peneiras consecutivas varia de 0,43 a 2,33. A faixa 9,5-4,8 mm teve uma relação entre o percentual retido entre peneiras consecutivas muito próxima ao valor mínimo estimado para uma boa interação entre os agregados. Portanto, essa faixa não foi considerada na seleção da FAD. Para a escolha entre as faixas 12.7-9.5 e 4.8-2.0 mm calculou-se a porosidade FAD que cada uma forneceria, por meio da Equação (1).

Para calcular o VAM na Equação (1), os valores de volume de vazios (Vv) e relação betume-vazios (RBV) foram assumidos, com base nos limites exigidos para esses parâmetros na norma ^{DNIT ES 031/2006}. De acordo com esta norma, as misturas asfálticas utilizadas em camadas de rolamento devem ter um Vv entre 3 e 5% e um RBV entre 75 e 82%. Neste trabalho, os valores médios desses limites (Vv de 4% e RBV de 79%) foram utilizados para calcular o VAM. Assim, obteve-se um valor aproximado de VAM igual a 19%.

Para a η_FAD, foram obtidos os seguintes resultados: 53% para a faixa de 12,7-9,5 mm e 39% para a faixa de 4,8-2,0 mm. Portanto, apenas a faixa de 4,8-2,0 mm teve uma η_FAD inferior a 50%, que é considerada a porosidade mínima para que as misturas que apresentam boa resistência à deformação permanente. Portanto, esse intervalo foi utilizado para compor a FAD. Como a curva granulométrica obtida pelo método do DNIT apresentou um valor de η_FAD inferior a 50%, a composição dos agregados não precisou ser ajustada.

3.3 Dosagem Marshall

A Tabela 4 apresenta os resultados obtidos com a dosagem Marshall para os quatro tipos de ligantes.

A Tabela 4 mostra que a maioria das misturas com asfalto-borracha apresentam maior estabilidade Marshall que o ligante convencional. De acordo com ^{Setyawan et al. (2017}), a borracha proporciona melhor intertravamento e aderência entre os agregados e o ligante asfáltico, o que aumenta a estabilidade das misturas. Portanto, esperava-se que as misturas asfalto-borracha apresentassem melhores resultados. Para a mistura com o ligante AB15, também era esperado que as misturas com este ligante não apresentassem um desempenho mecânico tão bom quanto as demais misturas com asfalto-borracha, visto que ele não atendeu a todos os critérios físicos. A menor estabilidade e densidade Marshall da mistura AB15 estão relacionadas ao maior teor de borracha e à menor homogeneidade deste ligante. Esses fatores levaram a uma expansão volumétrica dos corpos de prova. Consequentemente, promoveram a redução da densidade e estabilidade dessa mistura.

Apesar da redução da estabilidade com o ligante AB15, observa-se na Tabela 4, que todas as misturas atenderam aos critérios das normas brasileiras em relação à dosagem Marshall. Após a determinação dos parâmetros volumétricos foi realizado o cálculo da porosidade FAD para cada mistura. Os resultados obtidos estão exibidos na Tabela 5.

A Tabela 5 mostra que as misturas com os ligantes AB10 e AB08 apresentaram η_FAD próxima ao valor estimado de 39% (antes da dosagem). As outras misturas apresentaram uma maior variação em relação a η_FAD estimada. Isso ocorreu devido pela maior variabilidade entre os valores de VAM obtidos após a dosagem e o VAM estimado de 19%. Apesar das diferenças, as estimativas foram aceitáveis com relação ao método FAD, pois todas as misturas apresentaram valor de η_FAD inferior a 50%.

3.4 Ensaios Mecânicos

3.4.1 Resistência à Tração por Compressão Diametral (RT)

A Figura 3 apresenta os resultados do ensaio de resistência à tração por compressão diametral para os métodos Marshall e Superpave.

Figura 3 Resultados do ensaio de RT para cada mistura. 

De acordo com a Figura 3, as misturas apresentaram maior RT quando compactadas pelo método Superpave. Esse resultado era esperado, já que o método Superpave simula melhor as condições de campo e tem menor risco de alterar a granulometria dos agregados.

A mistura com o ligante PEN 50-70 atendeu a resistência à tração mínima de 650 kPa (em conformidade com a norma ^{DNIT ES 031/2006}), tanto para o método Marshall quanto para o Superpave. Para misturas asfalto-borracha, a norma ^{DNIT ES 112/2009} exige resistência à tração mínima de 750 kPa. Este limite foi atendido por todas as misturas, exceto pela mistura AB15 compactada pelo método Marshall.

Para a mistura AB15, os resultados do ensaio de resistência à tração indireta e a estabilidade Marshall podem ter sido influenciados pelo maior teor de borracha. O resultado do ensaio de estabilidade à estocagem, com valor próximo ao limite máximo permitido pela norma, demonstra que o maior teor de borracha leva a uma menor adesão entre a borracha e o ligante asfáltico, o que reduz a coesão e a homogeneidade da mistura (^{Navarro et al., 2004}; ^{Navarro et al., 2005}; ^{Shen et al., 2009}; ^{Dantas Neto et al., 2006}; ^{Navarro and Gámez, 2012}), e consequentemente, resulta em valores mais baixos de RT e estabilidade (^{Navarro and Gámez, 2012}).

3.4.2 Módulo de Resiliência (MR)

A Figura 4 apresenta os resultados do ensaio de Módulo de Resiliência para os métodos Marshall e Superpave.

Figura 4 Resultados do ensaio de MR para cada mistura. 

A Figura 4 mostra que as misturas asfalto-borracha apresentam menores valores de RM quando considerados os dois métodos. A redução do MR está relacionada à maior elasticidade das misturas asfalto-borracha. Em baixas temperaturas, essas misturas geralmente apresentam uma diminuição no módulo de resiliência em relação às misturas convencionais. Por outro lado, à medida que a temperatura aumenta, o valor do módulo tende a aumentar. Isso resulta em misturas menos quebradiças e mais flexíveis em baixas temperaturas, e com maior rigidez que as misturas convencionais em temperaturas mais elevadas (^{Palit et al., 2004}). Portanto, a redução do módulo de resiliência nas misturas com asfalto-borracha não significa que essas misturas tenham desempenho mecânico inferior em relação à mistura com PEN 50-70.

3.4.3 Dano por Umidade Induzida

A Figura 5 apresenta os resultados obtidos para o ensaio de dano por umidade induzida.

Figura 5 Resultados do ensaio de dano por umidade induzida para cada mistura. 

A Figura 5 mostra que todas as misturas, com exceção da mistura AB15, atenderam ao requisito mínimo de RRT de 80%, conforme especificado na ^{AASHTO T 283/2002}. Menores valores de RRT foram obtidos para as misturas com o ligante asfalto-borracha. O California Department of Transportation observou que as misturas densas com o ligante asfalto-borracha são mais suscetíveis aos efeitos da umidade que as misturas convencionais. Portanto, recomenda-se o uso de aditivos melhoradores de adesividade nessas misturas (^{Shatnawi, 2001}).

Neste estudo, foi utilizado um aditivo melhorador de adesividade em todas as misturas. As misturas AB10 e AB08 apresentaram boa resistência ao dano por umidade, embora os resultados tenham sido inferiores aos da mistura PEN 50-70. Em relação à mistura AB15, o uso do aditivo não foi suficiente para que a mistura atingisse o limite mínimo de 80% recomendado pela norma. Isso indica que essa mistura é mais suscetível ao dano por umidade.

3.4.4 Flow Number (FN)

A Figura 6 mostra os resultados do ensaio de FN para as misturas usando o método Superpave.

Figura 6 Resultados do ensaio de FN.  

De acordo com a Figura 6, as misturas com os ligantes AB10 e AB08 apresentam melhores resultados em relação à mistura com o ligante convencional. Isso indica que essas misturas possuem uma maior resistência à deformação permanente. Os valores mais baixos para a mistura AB15 eram esperados devido aos resultados nos ensaios anteriores, que demonstraram que o maior teor de borracha e a menor homogeneidade afetaram negativamente o desempenho mecânico dessa mistura.

4. Análise estatística

A análise de variância (ANOVA) é um método estatístico que permite comparações entre médias de diferentes populações. Por isso, este método foi utilizado neste estudo para comparar o desempenho das diferentes misturas em cada ensaio. Para a ANOVA, o tipo de mistura (ou tipo de ligante no caso dos ensaios físicos) foi a variável explicativa. Quatro níveis (tratamentos) foram considerados: PEN 50-70, AB08, AB10 e AB15. Além disso, assumiu-se um nível de significância de 5% para testar duas hipóteses:

H₀: os valores das médias dos tratamentos são iguais;

H₁: pelo menos uma das médias dos tratamentos é distinta das demais.

A hipótese nula é rejeitada se o p-valor for menor ou igual ao nível de significância. Após o teste das hipóteses, foi aplicado o teste de Tukey para determinar se os pares de tratamentos eram significativamente diferentes ou não. Os resultados do teste de Tukey são apresentados nas Tabelas 6, 7 e 8, para os ensaios físicos, mecânicos com método Marshall e mecânicos com método Superpave, respectivamente.

As Tabelas 6, 7 e 8 mostram que a hipótese nula foi rejeitada para todos os ensaios, exceto o Módulo de Resiliência pelo método Superpave (ou seja, houve diferenças significativas entre as médias dos tratamentos). Além disso, os ligantes AB08 e AB10, bem como as misturas com esses ligantes, não apresentaram valores médios significativamente diferentes (ou seja, p-valor superior a 0,05). Isso indica que não há diferenças estatisticamente significativas entre as propriedades físicas e mecânicas dos dois ligantes.

A Tabela 6 mostra que houve diferenças significativas entre o ligante convencional (PEN 50-70) e os ligantes asfalto-borracha em todos os ensaios. Isso indica que os ligantes asfalto-borracha possuem propriedades físicas diferentes em relação ao PEN 50-70, o que indica que a borracha altera as propriedades físicas das misturas. Nenhuma diferença significativa era esperada no desempenho dos ligantes AB08, AB10 e AB15, uma vez que o ligante AB15 não atendeu aos requisitos mínimos dos ensaios físicos.

Para os ensaios mecânicos pelo método Marshall, os resultados da Tabela 7 indicam que não houve diferenças significativas nas capacidades de resistência à tração das misturas com os ligantes PEN 50-70 e AB15. Da mesma forma, não foram encontradas diferenças entre os resultados do ensaio de dano por umidade induzida das misturas com PEN 50-70, AB08 e AB10. Portanto, pode-se dizer que a redução da RRT nas misturas com AB08 e AB10 não afetou a resistência à umidade dessas misturas. O efeito oposto foi observado no ensaio de módulo de resiliência. Neste ensaio, a redução do MR das misturas asfalto-borracha em relação à mistura PEN 50-70 pode ser considerada significativa.

A Tabela 8 indica que os resultados obtidos com o método Superpave não apresentam diferenças significativas no ensaio de MR. Como este método simula as condições de campo de forma mais eficiente que o método Marshall, acredita-se que as misturas com asfalto-borracha não apresentam grandes variações de MR em relação à mistura PEN 50-70. Nos ensaios de RT e FN, verificou-se que houve diferenças significativas entre as misturas PEN 50-70, AB08 e AB10. Assim, pode-se dizer que o aumento de RT e FN observado nas misturas AB08 e AB10, foi de fato relevante em relação aos valores apresentados pela mistura PEN 50-70. Quanto ao ensaio de dano por umidade induzida, diferenças significativas foram observadas apenas com a mistura AB15. Isso era esperado, já que essa mistura mostrou uma maior redução no ensaio de dano por umidade induzida.

5. Conclusões

O objetivo principal deste estudo foi avaliar o desempenho mecânico de misturas asfalto-borracha, através de ensaios laboratoriais utilizados para a construção de pavimentos flexíveis. Nesse sentido, após a análise estatística realizada, pode-se afirmar que as misturas asfalto-borracha apresentaram melhor desempenho em relação à mistura PEN 50-70, o que torna seu uso viável. Uma maior recuperação elástica, uma menor suscetibilidade térmica, uma maior resistência à tração e a ocorrência de deformações permanentes podem ser citadas como vantagens das misturas AB08 e AB10 em relação à mistura PEN 50-70.

O ligante AB15 não pode ser utilizado em misturas asfálticas por não atender aos requisitos de recuperação elástica. No entanto, em alguns ensaios, teve um desempenho semelhante ao asfalto-convencional (PEN 50-70), e no caso do ensaio de MR semelhante também aos demais asfaltos-borracha. Portanto, acredita-se que o desempenho dessa mistura poderia ter sido satisfatório em todos os ensaios, se tivesse sido acrescentado algum agente compatibilizante ao ligante AB15, que aumentasse a sua homogeneidade.

Em todos os testes, as misturas AB10 e AB08 não apresentaram diferenças significativas. Isso significa que não foram encontradas diferenças significativas no desempenho mecânico dessas misturas, neste estudo. No entanto, o AB08 já é produzido em larga escala, o que o torna mais atrativo que o ligante AB10, produzido em laboratório para este estudo. Portanto, o uso do ligante AB08 seria mais adequado para a construção de rodovias.

Para a seleção granulométrica, o método FAD estima bom desempenho mecânico para valores de porosidade abaixo de 50%, mas essa estimativa não foi válida para a mistura AB15. No entanto, o desempenho inferior desta mistura é provavelmente devido à qualidade inferior do ligante AB15 (que em relação à escolha granulométrica). Portanto, nesta pesquisa não pode ser considerada insatisfatória a utilização do método FAD para a previsão do desempenho mecânico das misturas. Quanto ao método de compactação, confirmou-se a tendência de estudos anteriores (^{Jitsangiam et al., 2013}; ^{Swami et al., 2004}; ^{Asi, 2007}): os resultados do método Superpave foram melhores que os resultados do método Marshall em todos os ensaios. Por isso, o método Superpave deve ser preferido para a compactação de misturas asfálticas.