6.1 INTRODUÇÃO 6.2 CARACTERIZAÇÃO DO PAVIMENTO

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1 6.CASO DE ESTUDO

2 INTRODUÇÃO O caso de estudo apresentado insere-se num projecto de reciclagem com espuma de betume e profundidade máxima de 25 cm, de dois troços de um pavimento localizado na Grécia e que se encontrava bastante deteriorado. Este pavimento faz parte da autoestrada que liga Atenas a Korinthos e a intervenção projectada totalizava cerca de 21 km. Como parte deste projecto e como caso de estudo deste trabalho, o objectivo era determinar a envolvente de rotura de Mohr-Coulomb das diversas formulações da mistura consideradas, assim como determinar sempre que possível os respectivos módulos elásticos (Módulo Resiliente, Mr). Na impossibilidade de realizar a produção das amostras no laboratório de ensaio localizado em Stellenbosch na África do Sul, as misturas foram efectuadas na Grécia com o material proveniente da desagregação do pavimento, moldados os respectivos provetes e posteriormente enviadas para o laboratório de ensaio. No laboratório da universidade de Stellenbosch procedeu-se ao ensaio dos provetes para determinação das características já referidas. 6.2 CARACTERIZAÇÃO DO PAVIMENTO O perfil transversal do pavimento era constituído por um New-Jersey ao centro, marginado por uma berma com cerca de,75m; 3 faixas de rodagem com cerca de 3,8 metros de largura e uma berma exterior com cerca de 2,8 metros de largura, ver figura 6.1. Figura Perfil Transversal do Pavimento

3 72 A directriz da estrada é constituída por uma sucessão de rectas e curvas circulares de grande raio. O pavimento apresentava um estado de ruína avançado, e as mais variadas patologias tais como deformações acentuadas, fendilhamentos de diversos tipos e uma existência farta de reparações localizadas (Figuras 6.2 e 6.3). Figura Fendas Figura Reparações localizadas Para investigar a constituição das camadas do pavimento e sua profundidade foram abertos poços com uma profundidade adequada, de modo a poder observar visualmente todas as camadas constituintes. Constatou-se que ao longo da extensão da intervenção a realizar existiam três tipos distintos de estruturas. Uma das estruturas era constituída por uma camada de desgaste espessa, que consistia numa sobreposição de antigas camadas de desgaste mais esbeltas que foram construídas como medida de reabilitação ou reforço estrutural (MB). Esta camada sobreponha-se a uma camada de macadame betuminoso, que por sua vez se sobrepunha a uma camada base granular (Granular) bastante consistente e de baixa plasticidade (Figura 6.4).

4 73 Figura Estrutura 1 A segunda solução estrutural encontrada era constituída por uma camada de desgaste delgada (MB) que se sobrepunha a uma camada base tratada com cimento (AGEC) que apresentava duas sub camadas distintas, consequência da sua provável construção em duas etapas. Esta camada sobrepunha-se a uma camada de material granular que na sua metade superior era constituída por material britado e na metade inferior material natural. Figura Estrutura 2

5 74 Por fim o último tipo de estrutura observado era constituído por uma camada de desgaste (MB) que se sobrepunha a uma base granular constituída por material britado na parte superior e material natural na parte inferior. Na camada de material britado podiam ser identificadas duas sub camadas provenientes do processo de construção. Figura Estrutura 3 Na figura 6.7 apresentam-se esquemas das diversas soluções estruturais observadas neste pavimento. Figura Estruturas do Pavimento

6 COMPOSIÇÃO DAS MISTURAS COM ESPUMA DE BETUME Para caracterização das misturas com espumas de betume foram seguidas várias etapas. Numa primeira etapa foram realizadas várias misturas com percentagens de espuma de betume entre 2 e 3 % e 1 entre 1,5 % de cimento conforme a mistura, sendo depois fabricados provetes tipo Marshall. As misturas foram efectuadas misturando várias proporções de cada tipo de camada existentes no pavimento a reabilitar. A determinação desta formulação foi estimada tendo em conta a cota final do pavimento após reabilitação e é apresentada na tabela 6.1. Na figura 6.8 apresenta-se a representação dos fusos granulométricos das sete misturas efectuadas. Um quadro com os valores de passados em cada peneiro para o material retirado de cada camada constituinte do pavimento e para as misturas é apresentado no anexo 1 Tabela 6.1 Percentagens de cada Camada Reciclada na Mistura Mistura MB (%) AGEC (%) Granular (%) A 1 B C 5 5 D E F 5 5 G 25 75

7 76 Figura Fusos Granulométricos das Camadas e das Misturas

8 77 Como se pode observar na figura 6.8 os fusos das misturas inserem-se no intervalo limite recomendado, não sendo este facto totalmente verdadeiro apenas devido à falta de materiais finos. É em parte devido a este facto que advém a necessidade de adicionar cimento às misturas de modo a corrigir a percentagem de materiais finos necessários na mistura. Um outro facto que minimiza esta falta de finos é que se antecipa que a fresadora a utilizar obtenha materiais ligeiramente mais finos durante a construção do novo pavimento. Posteriormente, os provetes foram submetidos aos ensaios de compressão diametral para determinação da tensão de rotura de tracção por compressão diametral. Este ensaio foi realizado sobre provetes secos e saturados. Foi também medida a baridade das misturas. Procedendo deste modo, foi possível determinar qual a percentagem de espuma de betume, e correspondente percentagem de betume, que maximizava as propriedades da mistura. As folhas resumo deste estudo são apresentadas no anexo 1. Na fase seguinte foram fabricados provetes, com 15 cm de diâmetro e 12 cm de altura, contendo as percentagens dos ligantes óptimas determinadas na fase anterior e compactados com 1 % da compactação com o Proctor modificado. A cura destes provetes consistiu na sua conservação à temperatura ambiente durante 24 horas seguida duma fase em que eram conservados num saco plástico selado e conservado a 4 ºC durante 48 horas. Estes provetes foram posteriormente submetidos a três tipos de ensaios. O ensaio de compressão diametral (CD), para determinação da tensão de rotura por tracção. Este ensaio foi efectuado sobre provetes saturados e com a humidade ambiente. O ensaio de compressão simples (CS), para determinação da tensão de rotura por compressão sem pressão de confinamento. Ensaios de rotura por compressão com diferentes tensões de confinamento para determinação da envolvente de rotura de Mohr-Coulumb. A tabela 6.2 apresenta um resumo dos valores obtidos. Desta tabela constam já os resultados dos ensaios triaxiais com pressão de confinamento realizados no laboratório de ensaios da Universidade de Stellenbosch e que serão alvo de atenção pormenorizada em ponto posterior deste texto.

9 78 Tabela 6.2 Valores obtidos nos Ensaios

10 ENSAIOS TRIAXIAIS REALIZADOS MONOTÓNICOS (ENVOLVENTE DE MOHR-COULOMB) Os ensaios triaxiais foram realizados no Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Stellenbosch na África do Sul. Estes provetes foram moldados na Grécia, com 15 cm de diâmetro e aproximadamente 3 cm de altura, sendo compactados com até 13 % do Proctor Modificado e foram posteriormente enviados para o laboratório de ensaio. A humidade das amostras submetidas a ensaio variava no intervalo compreendido entre 1,6 % para as misturas A a E e 4,2 % para as misturas F e G. Os provetes eram conservados no saco plástico de origem sendo colocados na câmara climática antes do ensaio de modo a atingir a temperatura de equilíbrio do interior da câmara. Figura Provetes antes do Ensaio Os ensaios foram efectuados num sistema servo-hidráulico comandado electronicamente da marca Material Test System (MTS), figura 6.1. Este aparelho

11 8 tem uma capacidade máxima de carga de 1 kn e é capaz de medir deslocamentos até ao máximo de 1 mm. A precisão da medição dos deslocamentos ao longo dos 1 mm de percurso é de,1 mm. Os ensaios podem ser conduzidos quer em deslocamento controlado, quer em carga controlada. Os dados obtidos durante o ensaio são armazenados em tempo real num computador. Para a realização dos ensaios triaxiais é utilizada uma célula triaxial da marca inglesa Wykeham-Farrance, com capacidade máxima para pressões de confinamento de 17 kpa, figura A pressão de confinamento é aplicada por meio de ar que é comprimido recorrendo a uma bomba. Figura Aparelho de Ensaio Figura Célula Triaxial O ensaio triaxial monotónico foi realizado até à rotura do material tem-se como objectivo determinar a resistência do mesmo em termos de coesão (c) e ângulo de atrito interno (Ø). Foram realizados três testes com pressões de confinamento crescentes, 5, 15 e 3 kpa e com os resultados obtidos determinam-se a envolvente de rotura de Mohr-Coulomb do material, ver figura 6.12.

12 81 τ φ c σ 3 σ 1,f σ Figura 6.12 Envolvente de rotura de Mohr-Coulomb Para a realização do ensaio o provete a ser submetido a ensaio tem de ser previamente preparado. Assim o provete é coberto por uma membrana de látex, figura 6.13, que é selada nos extremos com um o-ring de borracha que envolve as bases metálicas nos topos, figura Deste modo pretende-se prevenir a eventual existência de fugas de ar. Estes ensaios triaxiais são realizados sob uma temperatura de 25 ºC controlada, de modo a que não existam oscilações da mesma durante o ensaio. O ensaio é conduzido sob deslocamento controlado a uma taxa de 6,25 mm por minuto, equivalente a uma taxa de deformação de 2,6% por minuto.

13 82 Figura 6.13 Colocação da Membrana de Látex Figura 6.14 Selagem da Membrana de Látex Para cada ensaio procedeu-se ao registo da carga aplicada e da deformação axial do provete. Posteriormente com os dados obtido, para cada mistura e para cada pressão de confinamento, traçou-se um gráfico da carga do ensaio em função da extensão axial do provete. Estes gráficos são apresentados nas figuras 6.15 a 6.21.

14 83 Força (N) ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 7, Extensão Axial (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 6.15 Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura A Força (N) ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 7, Extensão Axial (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 6.16 Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura B

15 84 Força (N) ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 7, Extensão Axial (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 6.17 Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura C Força (N) ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 7, Extensão Axial (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 6.18 Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura D

16 85 Força (N) ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 7, Extensão Axial (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 6.19 Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura E Força (N) ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 7, Extensão Axial (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 6.2 Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura F

17 86 Força (N) ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 7, Extensão Axial (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 6.21 Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura G Da observação dos gráficos podemos concluir que a resistência do material aumenta com o aumento da pressão de confinamento, como seria de esperar. É também possível observar que a extensão de rotura é bastante superior ao limite de 1% característico dos materiais granulares o que evidencia as propriedades aglomerantes da espuma adicionada à mistura. Na tabela 6.3 apresentam-se os valores da tensão de rotura dos provetes ensaiados.

18 87 Tabela 6.3 Tensões de Rotura Tensão de Confinamento (kpa) Tensão (kpa) A B C D E F G 5 898, 1212,6 1638,2 176,2 1315,6 1573,2 134, , 1738,2 1884,5 2236,9 1776,2 1759,9 1879, ,7 2148,4 2969,7 38,9 2178,2 243,2 2826,1 Na tabela 6.4 é apresentado em percentagem o acréscimo no valor da tensão de rotura das misturas B a G relativamente à mistura A. Tabela 6.4 Acréscimo na Tensão de Rotura relativamente á Mistura A Tensão de Confinamento (kpa) Acréscimo de Tensão(%) A B C D E F G 5 1, 135, 182,4 196, 146,5 175,2 145,3 15 1, 193,6 29,9 249,1 197,8 196, 29,3 3 1, 239,2 33,7 343,1 242,6 267,6 314,7 Podemos afirmar que a inclusão de material granular ou material estabilizado com cimento das camadas inferiores do pavimento dão origem a um material com melhores características resistentes. É também evidente que quanto mais elevada for a percentagem destes constituintes na mistura melhor o desempenho da mesma. Este facto pode ser observado de uma forma mais evidente na tabela 6.5. Nesta tabela é apresentado o acréscimo do valor da tensão de rotura, também em percentagem, das misturas C e D relativamente á mistura B, misturas constituídas por mistura betuminosa e material granular, e das misturas F e G relativamente á mistura E, misturas constituídas por MB e AGEC.

19 88 Tabela 6.5 Acréscimo na Tensão de Rotura relativamente às misturas B e E Tensão de Confinamento (kpa) Acréscimo de Tensão(%) B C D E F G 5 1, 135,1 145,2 1, 119,6 99,2 15 1, 155,4 184,5 1, 133,8 142,8 3 1, 244,9 254,1 1, 182,7 214,8 Com os dados obtidos foram traçados os círculos de Mohr de cada mistura para as três pressões de confinamento, (ver figuras 6.22 a figura 6.28). Foi também traçada a envolvente de rotura de Mohr-Coulomb. A determinação desta envolvente era o objectivo deste caso de estudo, como foi já referido no ponto 5.1. A determinação das características desta envolvente (c e Ø) foram determinadas analiticamente, com um grau de correlação muito próximo da unidade, o que atesta a sua validade. Os valores obtidos são os já apresentados no quadro s3 = 5 kpa s3 = 15 kpa s3 = 3 kpa Envolvente de Rotura Tensões de Corte (kpa) Tensões Normais (kpa) Figura 6.22 Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura A

20 s3 = 5 kpa s3 = 15 kpa s3 = 3 kpa E l d Tensões de Corte (kpa) Tensões Normais (kpa) Figura 6.23 Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura B s3 = 5 kpa s3 = 15 kpa s3 = 3 kpa Envolvente de Rotura 1 Tensões de Corte (kpa) Tensões Normais (kpa) Figura 6.24 Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura C

21 s3 = 5 kpa s3 = 15 kpa s3 = 3 kpa Envolvente de Rotura 1 Tensões de Corte (kpa) Tensões Normais (kpa) Figura 6.25 Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura D 1 8 s3 = 5 kpa s3 = 15 kpa s3 = 3 kpa Envolvente de Rotura Tensões de Corte (kpa) Tensões Normais (kpa) Figura 6.26 Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura E

22 s3 = 5 kpa s3 = 15 kpa s3 = 3 kpa Envolvente de Rotura 1 Tensões de Corte (kpa) Tensões Normais (kpa) Figura 6.27 Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura F s3 = 5 kpa s3 = 15 kpa s3 = 3 kpa Envolvente de Rotura 1 Tensões de Corte (kpa) Tensões Normais (kpa) Figura 6.28 Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura G

23 92 A observação das envolventes de rotura permite retirar algumas conclusões, embora que limitadas ao caso específico apresentado. As misturas B, C e D que contêm na composição o material proveniente das camadas granulares do pavimento têm uma maior coesão (c) do que as restantes. Esta observação pode ser explicada pela maior presença de material fino na camada granular. Deste modo o betume pode dispersar de uma forma mais eficaz no agregado criando o já referido mástique que aglomera as partículas de maiores dimensões criando uma estrutura mais coesa. Este facto é ainda mais evidente se atentarmos que as misturas que apresentam menor coesão são as misturas E, F e G ou seja, as que contêm o material CBM substituindo o material granular e cujos fusos granulométricos são os que contêm menos material fino. Quanto ao ângulo de atrito interno das misturas podemos observar que atinge os valores maiores para as misturas contendo CBM, diminuindo nas misturas contendo material da camada granular, atingindo os valores menores na mistura contendo material da camada betuminosa ENSAIOS CICLÍCOS (MÓDULO ELÁSTICO) Este ensaio triaxial visa a quantificação do módulo elástico a diferentes pressões de confinamento. A tensão aplicada é incrementada e o módulo elástico é calculado. Depois de proceder ao registo gráfico dos dados obtidos, figura 6.29, é possível estimar uma relação entre o módulo elástico relativamente às tensões aplicadas. Este ensaio é realizado para três tensões de confinamento, sendo que para cada uma destas são obtidos 5 pontos.

24 93 Figura 6.29 Representação gráfica do Módulo Elástico em Função do Total das Tensões Principais Os provetes utilizados neste ensaio tinham as mesmas dimensões dos provetes utilizados nos ensaios monotónicos. Uma vez que os deslocamentos medidos são muito pequenos, da ordem dos 1 mm, é necessário proceder à medição dos mesmos no próprio provete. Para tal foram instalados 3 LVDT s com curso de 1 mm e precisão de,2 mm. Estes aparelhos foram colocados no terço central da altura do provete distribuídos de uma forma uniforme relativamente à base do provete, a ângulos de 12º. Deste modo evitam-se eventuais perturbações de leitura provenientes dos efeitos de má distribuição de tensões nos extremos do provete a ensaiar, figuras 6.3 e 6.31.

25 94 Figura 6.3 Colocação da Membrana Figura 6.31 Selagem da Membrana Neste caso de estudo este ensaio foi realizado apenas para a mistura C. Este ensaio é efectuado aplicando uma pré-carga de 2 kpa após a qual é aplicada a carga restante até perfazer o valor máximo estipulado e que é aplicada sob a forma de uma sinusóide com frequência de 2 Hz. Para cada configuração de carga aplicada os dados são recolhidos durante 5 segundos, correspondente a 1 ciclos de carga, e só após a aplicação de 12 impulsos de carga para condicionar o provete de ensaio. As configurações de tensão utilizadas neste ensaio são apresentadas na tabela 6.5.

26 95 Tabela 6.6 Combinação de Tensões para Ensaio Pressão de Confinamento (kpa) Nº de Ordem do Ensaio Soma das Tensões Principais ( θ ) Relação da Tensão Principal ( σ 1 / σ 1,f ) 1 274, , , , , , , , , , , , , , , , ,5 Como se verifica no quadro a relação máxima entre a tensão principal aplicada e a tensão principal máxima de rotura não ultrapassa o valor de 5 % de modo a limitar a deformação do provete. Os resultados obtidos no ensaio são apresentados no gráfico da figura 6.32.

27 Módulo Elástico M r (MPa) Soma das Tensões Principais θ (kpa) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 6.32 Módulo Elástico em função do Total das Tensões Principais Podemos observar neste gráfico que o valor do módulo elástico demonstra um comportamento independente das tensões aplicadas e um valor de cerca 18 MPa. Este comportamento pode ser explicado por (pela existência de um elevado teor de ligante (betume e cimento) na mistura) mas deveria ter sido mais explorado e validado com o ensaio das outras misturas. Como tal não foi possível a explicação apresentada fica condicionada este caso particular com algum cepticismo.