Avaliação da influência da suscetibilidade térmica de misturas asfálticas no dimensionamento de pavimento de concreto asfáltico

Abstract

O objetivo principal desta pesquisa foi avaliar a influência da suscetibilidade térmica de misturas asfálticas densas no dimensionamento de estruturas de pavimento de concreto asfáltico. Para tanto, foram estudadas duas formulações: Grave-Bitume (GB) e Enrobé à Module Élevé (EME), ambas utilizando ligantes betuminosos modificados pelo polímero Estireno-Butadieno-Estireno (SBS), porém com cadeias moleculares distintas, originando as matrizes denominadas Poliflex 60/85 E e Highly Modified Asphalt (HiMA). As curvas granulométricas foram compostas por partículas de origem gnáissica, com adição de cal hidratada CH-1 em parte do material passante na peneira de 0,075 mm, sendo a distribuição percentual definida com base nos pontos de controle da metodologia francesa para cada formulação. Os teores de ligante betuminoso adotados na campanha experimental foram de 4,54 % e 5,50 % para as misturas GB e EME, respectivamente, definidos com base em estudos prévios considerando critérios de compactação na prensa de compactação giratória (PCG), resistência à ação da água (ensaio de Duriez a 18 ºC) e à deformação permanente (60 ºC). Foram realizados ensaios de módulo complexo (|E*|) em um amplo espectro de temperaturas (-10 ºC, 0 ºC, 10 ºC, 15 ºC, 25 ºC, 30 ºC, 40 ºC, 50 ºC e 60 ºC) e frequências (1 Hz, 3 Hz, 10 Hz, 25 Hz e 30 Hz), permitindo a caracterização do comportamento viscoelástico das misturas e a identificação das condições críticas associadas à máxima dissipação de energia. Adicionalmente, foi aplicado um modelo matemático de propagação de erros, baseado em derivadas parciais, para avaliação da aderência dos dados experimentais ao modelo reológico de Huet-Sayegh, evidenciando baixos níveis de incerteza e elevada consistência dos resultados. Os ensaios de fadiga foram conduzidos tanto nas condições normativas da metodologia francesa (10 ºC e 25 Hz) quanto nas temperaturas críticas identificadas no plano complexo. Os resultados demonstraram comportamento não monotônico da deformação para 106 ciclos (e6) em função da temperatura, com destaque para o desempenho superior da mistura EME, que apresentou maior capacidade de deformação e melhor resistência à fadiga, atribuída à maior contribuição elástica do ligante HiMA. Observou-se que a modificação polimérica influenciou significativamente a resposta mecânica das misturas, promovendo maior flexibilidade e capacidade de acomodação de deformações, mesmo em condições associadas à elevada dissipação de energia. Os dados experimentais foram incorporados em simulações numéricas utilizando os programas Viscoroute 2.0 e Alizé 2, considerando diferentes hipóteses de comportamento (elástico e viscoelástico) e regimes de carregamento (estacionário e dinâmico). Os resultados evidenciaram que a consideração do comportamento viscoelástico linear e do carregamento dinâmico conduz a respostas estruturais mais representativas das condições reais de serviço. Verificou-se, ainda, a influência significativa da temperatura, das condições de aderência entre camadas e do nível de carregamento na definição das espessuras das estruturas de pavimento de concreto asfáltico. De forma geral, os resultados demonstraram que a suscetibilidade térmica exerce influência direta tanto no comportamento à fadiga das misturas asfálticas quanto no dimensionamento das estruturas, sendo fundamental sua adequada consideração em metodologias de projeto. Destaca-se, nesse contexto, o desempenho superior da mistura EME, evidenciando o potencial dos ligantes altamente modificados para o desenvolvimento de pavimentos de concreto asfáltico mais duráveis e eficientes.

Abstract: The main objective of this research was to evaluate the influence of the thermal susceptibility of dense asphalt mixtures on the design of asphalt concrete pavement structures. To this end, two formulations were studied: Grave-Bitume (GB) and Enrobé à Module Élevé (EME), both using bituminous binders modified with the Styrene-Butadiene-Styrene (SBS) polymer, but with distinct molecular chains, resulting in matrices known as Poliflex 60/85 E and Highly Modified Asphalt (HiMA). The gradation curves were composed of gneiss-origin aggregates, with the addition of hydrated lime CH-1 in part of the material passing the 0.075 mm sieve, with the percentage distribution defined based on the control points of the French methodology for each formulation. The bituminous binder contents adopted in the experimental campaign were 4,54 % and 5,50 % for the GB and EME mixtures, respectively, defined based on previous studies considering compaction ability with gyratory compaction shear press, resistance to deleterious action of water in Duriez test at 18 ºC and to rutting at 60 ºC. Complex modulus (|E*|) tests were performed over a wide range of temperatures (-10 °C, 0 °C, 10 °C, 15 °C, 25 °C, 30 °C, 40 °C, 50 °C, and 60 °C) and frequencies (1 Hz, 3 Hz, 10 Hz, 25 Hz, and 30 Hz), allowing the characterization of the viscoelastic behavior of the mixtures and the identification of critical conditions associated with maximum energy dissipation. Additionally, a mathematical error propagation model based on partial derivatives was applied to evaluate the fit of the experimental data to the Huet-Sayegh rheological model, showing low levels of uncertainty and high consistency of the results. Fatigue tests were conducted both under the standard conditions of the French methodology (10 °C and 25 Hz) and at the critical temperatures identified in the complex plane. The results demonstrated a non-monotonic behavior of strain at 106 cycles (e6) as a function of temperature, highlighting the superior performance of the EME mixture, which showed greater deformation capacity and better fatigue resistance, attributed to the higher elastic contribution of the HiMA binder. It was observed that polymer modification significantly influenced the mechanical response of the mixtures, promoting greater flexibility and deformation accommodation capacity, even under conditions associated with high energy dissipation. The experimental data were incorporated into numerical simulations using the Viscoroute 2.0 and Alizé 2 programs, considering different behavioral assumptions (elastic and viscoelastic) and loading regimes (stationary and dynamic). The results showed that considering linear viscoelastic behavior and dynamic loading leads to structural responses more representative of real service conditions. A significant influence of temperature, interlayer bonding conditions, and loading level on the determination of the asphalt concrete pavement structure thicknesses was also verified. Overall, the results demonstrated that thermal susceptibility directly influences both the fatigue behavior of asphalt mixtures and the design of pavement structures, making its proper consideration essential in design methodologies. In this context, the superior performance of the EME mixture is highlighted, demonstrating the potential of highly modified binders for the development of more durable and efficient asphalt concrete pavements.