Misturas betuminosas de alto desempenho do tipo Stone Mastic Asphalt - formulação, fabrico, aplicação e desempenho

Henrique Manuel Borges Miranda

Informações chave

Autores:

Henrique Manuel Borges Miranda (Henrique Manuel Borges Miranda)

Orientadores:

Maria de Lurdes Baptista da Costa Antunes (Maria de Lurdes Baptista da Costa Antunes); Fátima Alexandra Barata Antunes Batista; José Manuel Coelho das Neves (José Manuel Coelho das Neves)

Publicado em

22/12/2016

Resumo

As misturas betuminosas do tipo Stone Mastic Asphalt (SMA) apresentam um alto desempenho, sendo particularmente interessantes para aplicação em camadas de desgaste, pela sua resistência ao fendilhamento e à deformação permanente. A melhoria do desempenho à deformação permanente resulta da estrutura pétrea que uma SMA oferece, a qual é fortemente baseada na utilização de uma curva granulométrica descontínua, contribuindo para um efeito de stone-on-stone entre as “partículas ativas” (agregados grossos de dimensão superior a um peneiro de referência). Contudo, a obtenção do efeito de stone-on-stone requer uma adequada formulação deste tipo de misturas betuminosas de modo a que, a quantidade de mastique betuminoso (partículas passivas, fíler, aditivos estabilizantes e betume) seja inferior ao volume de vazios disponível entre as partículas ativas. Todavia, esta premissa não assegura que o efeito de stone-on-stone obtido esteja otimizado, ou que a mistura SMA apresente um desempenho global adequado. Assim, o presente trabalho teve como principal objetivo desenvolver um novo sistema integrado de formulação e controlo de qualidade durante e/ou após aplicação de uma SMA em obra, que assente na definição da composição volumétrica ótima de uma mistura SMA baseada no desempenho. O sistema integrado proposto tem como pressuposto que a composição de uma mistura SMA deve assegurar a obtenção e otimização do efeito de stone-on-stone (através da otimização da percentagem de partículas ativas), assim como a otimização do mastique betuminoso, através do conceito proposto de mastic-within-stone o qual pretende contribuir para a obtenção de uma adequada trabalhabilidade, de um desempenho mecânico adequado (mix-skeleton) e de um desempenho funcional adequado (tire-on-stone). Para alcançar este objetivo foi efetuada uma análise das propriedades dos materiais constituintes das SMA, assim como dos diferentes métodos de formulação utilizados internacionalmente, bem como dos aspetos relevantes para a formulação das SMA. No que concerne à obtenção e otimização do efeito de stone-on-stone na fase de formulação, foi proposta uma nova metodologia de compactação baseada no compactador Proctor, a qual decorreu da avaliação realizada através do estudo de diferentes métodos de compactação de partículas ativas em laboratório, aferindo a sua adequabilidade ao método de formulação proposto e a sua representatividade face às condições obtidas em obra, no que concerne à quebra de agregado. Relativamente à otimização do mastic-within-stone foi proposta uma nova metodologia de previsão do desempenho das SMA, a partir de resultados de ensaios sobre um conjunto de SMA formuladas, nomeadamente, no que concerne à deformação permanente, ao fendilhamento por fadiga, à resistência ao envelhecimento e à água, ao escorrimento de material betuminoso, à profundidade média da textura e coeficiente de atrito. A avaliação do desempenho contemplou misturas do tipo SMA 11, SMA 12 e SMA 14 (todas aplicadas em obra como camada de desgaste) recomendando-se que se complemente o trabalho com a caracterização de outros tipos de SMA. A metodologia proposta permite a um utilizador, para uma determinada composição volumétrica da mistura SMA, estimar as respetivas características volumétricas, trabalhabilidade e desempenho (resistência à deformação permanente, ao fendilhamento por fadiga, módulo de deformabilidade e profundidade média da textura). Tal contribui para uma alteração do paradigma atual através da definição de uma abordagem baseada no desempenho para a determinação da composição ótima de uma mistura SMA. O método proposto contribui, nomeadamente para a redução dos custos, tempo e conhecimento necessários para a formulação e controlo de qualidade de misturas do tipo SMA, assim como para um incremento do grau de confiança relativo ao seu desempenho e trabalhabilidade e consequentemente à sua durabilidade. Stone Mastic Asphalt (SMA) mixes have good performance, especially for application in wearing courses due to their high resistance to cracking and rutting. The key factor contributing to their improved performance is attributed to the aggregate structure created by the SMA gap-gradation, which promotes stone-on-stone contact in the “ative particles” (large size aggregates), which doesn’t occur in conventional dense mixes with more continuous gradations. However to reach an appropriate stone-on-stone effect an adequate mix design is required such that the volume of mastic (passive particles, fillers, stabilizers and bitumen) is lower than the air void volume created by the active particles. However, this condition alone does not guaranty that the adequate stone-on-stone effect is created or that the SMA mix will have the adequate performance. This thesis had as its major objective the development of a new integrated system to design an SMA mix that also provides added information for the quality control during and after the application of the SMA, which is based on the definition of an optimized volumetric composition that guaranties an adequate mechanical and functional performance, i-performance. The integrated system proposed is based on the key concept that the SMA mix must insure the development and optimization of the stone-on-stone contact (though the optimization of the percentage of active particles). However, this concept must be associated to the new proposed concept of mastic-within-stone that leads to the optimization of the binder mastic. Both the stone-on-stone and mastic-within-stone properly designed and selected contribute to the workability of the SMA and the several new proposed performance indicators mix-skeleton and tire-on-stone. To reach the objectives a complete analysis of the properties of the SMA components was studied together with design concepts used in key institutions internationally as well as other aspects relevant to SMA mix design. For the optimization of the stone-on stone effect, a new compaction method was developed using the Proctor compactor, based on the evaluation undertaken through the laboratory studies of different compaction methods of active particles, concerning the applicability for mix design and in the simulation of particle breakage during compaction. Furthermore, for the optimization of the mastic-within-stone effect, a new performance prediction method was developed, based on tests performed on SMAs applied on actual construction (specially in what regards permanent deformation, flexural fatigue cracking, resistance to ageing, water sensitivity, draindown, texture depth and skid resistance). The mixes studied where, SMA11, SMA12 and SMA14 (all applied in wearing course) and it is recommended that this study is complemented through the caracterization of other types of SMA. The proposed method allows a user for a given volumetric composition of the SMA mixture to estimate its volumetric characteristics, workability and performance (resistance to permanent deformation, fatigue cracking, stiffness modulus and macrotexture). This contributes to a change in the current paradigm by defining a performance based approach for determining the optimized volumetric composition of an SMA mixture (i-SMA). The new integrated system contributes in particular to the reduction of costs, time and knowledge required for the design and quality control of SMA mixtures, as well as for an increase the reliability of their performance and workability and consequently their durability.