Análise de Custos de Ciclo de Vida Relativa a Pavimentos Rodoviários Flexíveis

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1 Análise de Custos de Ciclo de Vida Relativa a Pavimentos Rodoviários Flexíveis Hugo Bernardo Campos Branquinho Matos da Costa Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Júri Presidente: Orientador: Co-Orientador: Vogais: Professor Doutor Joaquim Jorge da Costa Paulino Pereira Professor Doutor José Manuel Coelho das Neves Engenheiro João Gomes Morgado Doutora Maria de Lurdes Batista da Costa Antunes Novembro de 2008

2 Agradecimentos A presente dissertação foi orientada, pelo Doutor José Manuel Coelho das Neves, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura do Instituto Superior Técnico e pelo Eng. João Gomes Morgado, Assistente Estagiário do Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura do Instituto Superior Técnico. Manifesto todo o meu agradecimento ao Instituto Superior Técnico, pelo apoio institucional prestado. Agradeço ao Doutor José Manuel Coelho das Neves a sugestão do tema, o interesse, a orientação e toda a disponibilidade. Para além do âmbito desta dissertação, agradeço-lhe os ensinamentos transmitidos e o interesse que me suscitou pela área das Infra-estruturas Rodoviárias. Particularmente, expresso o agradecimento profundo ao Engenheiro João Gomes Morgado, pela ajuda preciosa e todo o tempo disponível. Agradeço à Doutora Maria de Lurdes Antunes pelo interesse demonstrado, disponibilidade permanente, carinho e tempo dispendido ao longo do desenvolvimento do trabalho. Finalmente, agradeço aos meus pais, pois sem o apoio deles não seria possível a realização deste trabalho, aos meus amigos e colegas de curso e à Joana, pelo carinho e apoio especial. 1

3 Resumo A Dissertação, desenvolvida em colaboração com o Laboratório Nacional de Engenharia Civil, referese à realização de um estudo económico comparativo de custos associados à construção e conservação de pavimentos rodoviários flexíveis (cuja principal componente estrutural é constituída por camadas de misturas betuminosas e/ou materiais granulares). No estudo realizado, estimaram-se os custos suportados pela administração rodoviária, correspondentes à construção, bem como à conservação e reabilitação ao longo do ciclo de vida dos pavimentos. Para além destes custos, tomou-se em consideração, na medida do possível, os custos suportados pelos utentes e os ambientais. O horizonte de análise considerado foi de 35 anos, para que os resultados reflectissem as diferenças de custo a longo prazo, das opções consideradas. Foram consideradas estruturas de pavimentos correspondentes a diferentes cenários, do ponto de vista da classe de tráfego e das condições de fundação. Os resultados alcançados, poderão vir a constituir uma ferramenta auxiliar na tomada de decisões, por parte das entidades responsáveis pela selecção dos tipos de estruturas e estratégias a adoptar na construção e manutenção de pavimentos. Abstract The dissertation, developed in collaboration with the Laboratório Nacional de Engenharia Civil, reports to an economic study of costs associated with construction and maintenance of road flexible pavements. In this study, the administration costs were evaluated, corresponding not only to the construction but also to the maintenance and rehabilitation during the life cycle of the road pavements. Besides these costs, users and environmental costs were also taken into account. The total period of this analysis was 35 years, in order to consider all the possible maintenance strategies in terms of long-term costs. Different structures of pavements, regarding different settings of traffic and foundation classification, were taken into consideration. The results achieved in this work could be useful to responsible entities in future decisions concerning the selection of best strategies of construction and maintenance of pavements. Palavras-Chave Pavimento rodoviário flexível; Análise económica; Custo de Ciclo de Vida; Recursos Ambientais; Reciclagem in situ com cimento Key-Words Flexible road pavement; Economic analysis; Life cycle cost; Environmental resources; In situ recycling with cement 2

4 Índice Capítulo 1 Considerações iniciais Apresentação do tema e seu enquadramento Objectivos e metodologia Estrutura geral Capítulo 2 Introdução aos pavimentos flexíveis Pavimentos e suas características Tipos de pavimentos e sua constituição Materiais de pavimentação Comportamento dos pavimentos flexíveis Metodologias de projecto Investimento inicial elevado Investimento inicial baixo Construção faseada A prática de projecto em Portugal Dados de Projecto Dimensionamento Conservação e reabilitação de pavimentos Patologias dos pavimentos flexíveis Observação de pavimentos Técnicas de conservação e reabilitação de pavimentos Síntese.. 43 Capítulo 3 Metodologias de análise de custos de ciclo de vida Generalidades Custos de ciclo de vida Aspectos metodológicos Período de análise Taxa de actualização Valor residual Metodologias de cálculo Método do valor actual Método do custo anual uniforme equivalente Síntese Limitações da análise económica Riscos e incertezas na avaliação económica de pavimentos 55 3

5 Capítulo 4 Apresentação dos casos de estudo Metodologia e objectivos Solução inicial Cenários de tráfego e condições de fundação Selecção das estruturas de pavimento novo Verificação da vida útil das estruturas de pavimento novo Planeamento para o período de análise Síntese.. 67 Capitulo 5 Custos envolvidos Generalidades Custos suportados pela administração rodoviária Custos de construção Custos de conservação e reabilitação Valor Residual Custos suportados pelos utentes Custos ambientais Síntese.. 74 Capítulo 6 Avaliação económica dos casos tipo Metodologia Análise com base em valores de referência Análise determinística Análise de risco Análise multi-critério Síntese.. 88 Capítulo 7 Conclusões Síntese do trabalho Conclusões gerais Desenvolvimentos futuros. 90 Bibliografia Anexos

6 Anexo 1 Organigrama do procedimento para o dimensionamento dum pavimento flexível (Branco et al, 2006) 95 Anexo 2 Programa das actividades de conservação e reabilitação. 96 Anexo 3 Custos unitários. 97 Anexo 4 Estimativa dos custos totais de construção.. 98 Anexo 5 Estimativa dos custos das medidas de conservação e reabilitação Anexo 6 Estimativa dos custos totais de conservação e reabilitação Anexo 7 Estimativa da duração das medidas de intervenção de conservação e reabilitação 104 Anexo 8 Estimativa das durações totais de intervenção de conservação e reabilitação. 105 Anexo 9 Estimativa dos custos ambientais Anexo 10 Matrizes de impactes. 107 Lista de Figuras Figura 2.1 Pavimento flexível: constituição e comportamento (Branco et al, 2006). 20 Figura 2.2 Ilustração da estratégia de construção faseada (LCPC e SETRA, 1994) Figura 2.3 Representação das acções de um eixo padrão sobre o pavimento (Branco et al, 2006) 26 Figura 2.4 Fases da reciclagem in situ a frio com cimento em calda (Martinho, 2005) 42 Figura 3.1 Variação dos custos para os utentes, em função da velocidade e da irregularidade (Pereira e Miranda, 1999) Figura 3.2 Período de análise para um pavimento alternativo (Walls e Smith, 1998).. 48 Figura 6.1 NPV para pavimentos com classe de tráfego T Figura 6.2 NPV para pavimentos com classe de tráfego T Figura 6.3 NPV médio para pavimentos com classe de tráfego T Figura 6.4 NPV médio para pavimentos com classe de tráfego T Figura 6.5 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 5 para o caso Figura 6.6 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 5 para o caso Figura 6.7 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 5 para o caso Figura 6.8 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 5 para o caso Figura 6.9 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 1 para o caso Figura 6.10 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 1 para o caso Figura 6.11 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 1 para o caso Figura 6.12 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 1 para o caso Figura 6.13 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 1 para o caso Figura 6.14 Avaliação dos pavimentos com classe de tráfego T 1 para o caso

7 Lista de Quadros Quadro 2.1 Tipos de pavimentos em função dos materiais e da deformabilidade (Branco et al, 2006). 13 Quadro 2.2 Materiais de pavimentação para cada camada (Neves, 2007) Quadro 2.3 Tipologia adoptada para os materiais granulares (JAE, 1995) 15 Quadro 2.4 Propriedades dos materiais granulares, ensaios e objectivos (Neves, 2007).. 15 Quadro 2.5 Classificação das misturas betuminosas quanto à sua porosidade (JAE, 1995). 16 Quadro 2.6 Tipologia adoptada para as misturas betuminosas fabricadas a quente (JAE, 1995).. 17 Quadro 2.7 Percentagem do tráfego na via mais solicitada (JAE, 1995) Quadro 2.8 Elementos relativos ao tráfego (JAE, 1995) Quadro 2.9 Classes de fundação (JAE, 1995) 28 Quadro 2.10 Tipos de deformações associadas a pavimentos flexíveis (Branco et al, 2006) 33 Quadro 2.11 Tipos de fendilhamento associados a pavimentos flexíveis (Branco et al, 2006).. 34 Quadro 2.12 Tipos de desagregação da camada de desgaste em pavimentos flexíveis (Branco et al, 2006). 35 Quadro 2.13 Tipos de movimento de materiais associados a pavimentos flexíveis (Branco et al, 2006). 35 Quadro 2.14 Alguns equipamentos/ensaios utilizados para a avaliação das características dos pavimentos 39 Quadro 4.1 Simbologia e espessuras adoptadas Quadro 4.2 Estruturas de pavimento flexíveis. 59 Quadro 4.3 NAEP 130 correpondentes às classes de tráfego analisadas 61 Quadro 4.4 Composição adoptada para as misturas betuminosas. 62 Quadro 4.5 Características dos materiais das camadas dos pavimentos flexíveis.. 63 Quadro 4.6 Numero máximo admissível de eixos padrão de 130 kn para os pavimentos flexíveis. 63 Quadro 4.7 Resumo das acções de conservação e reabilitação. 67 Quadro 5.1 Custos totais de construção das estruturas em análise para classe de tráfego T Quadro 5.2 Custos totais de construção das estruturas em análise para classe de tráfego T Quadro 5.3 Custo das medidas de conservação e reabilitação Quadro 5.4 Custos totais de conservação e reabilitação das estruturas em análise para classe de tráfego T 5 70 Quadro 5.5 Custos totais de conservação e reabilitação das estruturas em análise para classe de tráfego T 1 70 Quadro 5.6 Valor Residual para os pavimentos em análise de classe de tráfego T Quadro 5.7 Valor Residual para os pavimentos em análise de classe de tráfego T Quadro 5.8 Duração das medidas de intervenção. 73 Quadro 5.9 Duração total das intervenções para cada pavimento de classe de tráfego T 5 73 Quadro 5.10 Duração total das intervenções para cada pavimento de classe de tráfego T Quadro 5.11 Estimativa dos custos ambientais para pavimentos de classe de tráfego T Quadro 5.12 Conclusões obtidas para os diferentes custos. 74 6

8 Quadro 6.1 Valores obtidos para o NPV de pavimentos com classe de tráfego T Quadro 6.2 Valores obtidos para o NPV de pavimentos com classe de tráfego T Quadro 6.3 Média e desvio padrão do NPV para pavimentos com classe de tráfego T 5 78 Quadro 6.4 Média e desvio padrão do NPV para pavimentos com classe de tráfego T 1 78 Quadro 6.5 Pesos a atribuir a cada caso.. 80 Lista de Siglas AGEC Agregado de Granulometria Extensa Tratado com Cimento E f Módulo de Deformabilidade EP JAE Estradas de Portugal LCCA Life - Cycle Costs Analysis LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil MACOPAV Manual de Concepção para a Rede Rodoviária Nacional NPV Net Present Value, Custo Total Actual PSI Present Serviceability Index TMDA p Tráfego Médio Diário Anual de Pesados 7

9 Capítulo 1 Considerações iniciais 1.1 Apresentação do tema e seu enquadramento Realizada no âmbito do Mestrado Integrado de Engenharia Civil, no ano lectivo 2007/2008, esta dissertação tem como tema a Análise de Custos de Ciclo de Vida Relativa a Pavimentos Rodoviários Flexíveis. A dissertação insere-se no projecto Avaliação económica de diferentes soluções de pavimentação ao longo do ciclo de vida das infra-estruturas rodoviárias, desenvolvido em colaboração com o Laboratório Nacional de Engenharia Civil. Em Portugal os últimos anos têm sido marcados pelo aparecimento de novos materiais aplicados nas soluções de pavimentação. É uma situação que advém da subida de preço das matérias-primas, que constituem os materiais utilizados tradicionalmente. A introdução de novos componentes nas soluções de pavimentação, reveste-se no entanto de alguma incerteza, em particular na relação custo-benefício. Dado o aparecimento de materiais e novas soluções a um ritmo acelerado nem sempre é possível prever com exactidão os custos e as vantagens reais. A optimização de cada solução de pavimentação passa pela sua adequação às condições de tráfego, fundação e metodologias de projecto, adoptadas caso a caso. O tráfego, onde os veículos pesados são os mais preponderantes, poderá acelerar a degradação de um pavimento, sendo por isso relevante considerar à partida a sua influência. As condições de fundação determinam a maior ou menor capacidade de suporte das cargas dos veículos influenciando desta forma as características das camadas de pavimento. Já as metodologias de projecto podem condicionar a solução adoptada. Claramente uma solução que tenha que responder a condições de tráfego e fundação, entre outras, mais agressivas terá à partida um custo superior na sua execução. No entanto é impossível descurar que a médio e longo prazo poderá trazer benefícios, reduzindo por exemplo, as necessidades de manutenção. As novas soluções só o serão efectivamente se se traduzirem numa clara vantagem de custobenefício considerando todos os factores determinantes. No entanto muitas vezes a análise faz-se exclusivamente considerando os custos iniciais e desvalorizando os ganhos a médio e longo prazo que determinada solução poderá apresentar. Portugal é um dos países com maior número de quilómetros de auto-estrada por habitante na Europa. A tendência é para manter esta posição, face ao crescente número de novas auto-estradas, que substituem itinerários de menor hierarquia. Muitas dessas estradas substituídas estão agora a ser alvo de trabalhos de reabilitação e manutenção. 8

10 A prática corrente desses trabalhos consiste na fresagem e consequentemente substituição das camadas mais superficiais do pavimento. È importante notar que existem, hoje em dia, outras soluções de reabilitação e manutenção com claros ganhos económicos e de qualidade. Muitas vezes o factor económico na fase inicial do projecto e a demora, que essas soluções implicam nos trabalhos, leva a opção por soluções mais práticas. No entanto é importante perceber que a análise da solução de pavimento se deve fazer numa janela temporal, alargada e tendo em conta inúmeros factores. A análise para determinação da solução adequada a cada caso passará inevitavelmente pelo factor económico mas não se poderão descurar outros aspectos determinantes. Entre eles a durabilidade e custos acrescidos de manutenção, se a solução adoptada não for sustentável. Os resultados alcançados neste trabalho, poderão vir a constituir uma ferramenta auxiliar na tomada de decisões, por parte das entidades responsáveis pela selecção dos tipos de estruturas a adoptar na construção e a reabilitação de pavimentos rodoviários flexíveis. A escolha da solução de pavimentação é única para cada caso porque cada situação tem particularidades próprias. Desta forma, a aplicação sistemática de determinadas soluções pode não ser sustentável. É necessário considerar um conjunto de factores e avaliar caso a caso a relação custobenefício de cada solução, num contexto em que a inovação tecnológica permite disponibilizar soluções a um ritmo acelerado. 1.2 Objectivos e metodologia A dissertação compreende essencialmente os seguintes objectivos e a respectiva metodologia. 1. Definição das estruturas de pavimentos tipo a analisar Serão definidos vários cenários relativos à construção de pavimentos novos flexíveis, correspondentes a diferentes classes de tráfego e diferentes condições de fundação. Serão ainda definidos casos de estudo relativos a obras recentes de reabilitação de pavimentos, nas quais tenha sido aplicada a técnica de reciclagem com cimento. 2. Estimativa dos custos de construção das estruturas tipo Efectuar-se-á o levantamento dos custos praticados em Portugal para a execução dos diversos tipos de trabalhos correspondentes à construção das estruturas tipo, e determinar-se-á o custo de construção de cada estrutura. 3. Estimativa dos custos de conservação e reabilitação ao longo do ciclo de vida das estruturas tipo Com base nos modelos de comportamento mais adequados a cada um dos tipos de pavimento em análise, serão efectuadas estimativas relativamente aos custos de conservação e de reabilitação ao longo do ciclo de vida dos pavimentos, para cada um dos cenários em estudo. 9

11 4. Avaliação dos custos suportados pelos utentes Com base em resultados de projecto de investigação recentemente realizados, no domínio da quantificação dos custos inerentes aos condicionamentos de tráfego no decurso da realização de obras de conservação e reabilitação, serão estimados os custos suportados pelos utentes ao longo do ciclo de vida dos pavimentos, para cada um dos cenários considerados. 5. Consideração de outros custos Avaliar-se-á a possibilidade de considerar custos de natureza ambiental ou outros na análise comparativa das soluções, ainda que tais custos não possam vir a ser devidamente quantificados. 6. Avaliação económica das soluções analisadas Com base nos resultados obtidos nos pontos anteriores, será efectuada uma avaliação da evolução dos custos acumulados ao longo do ciclo de vida dos pavimentos para cada um dos cenários considerados. 1.3 Estrutura geral A dissertação está dividida em 7 capítulos. No capítulo 1 apresenta-se o tema e o seu enquadramento, bem com os objectivos traçados, a metodologia para os alcançar e a estrutura geral do trabalho realizado. No capítulo 2, Introdução aos pavimentos flexíveis é apresentada uma breve sistematização dos conceitos relacionados com os pavimentos e seus materiais constituintes. Inicialmente uma abordagem geral, passando pelas diferentes tipologias e soluções de pavimentação para seguidamente se partir para uma abordagem mais pormenorizada e focada nos pavimentos flexíveis, tipologia enfoque neste trabalho. Tendo como base o Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional, documento de referência para o pré-dimensionamento de pavimentos, é apresentada uma breve descrição sobre os principais materiais, que constituem as soluções de pavimentos flexíveis. São ainda tecidas considerações sobre, o comportamento estrutural dos pavimentos flexíveis. Ainda neste capítulo, e numa perspectiva mais económica, é feita uma reflexão sobre as metodologias de projecto. Já numa fase final, abordam-se os aspectos relacionados com a conservação e reabilitação dos pavimentos dando-se especial atenção às principais formas de diagnóstico e avaliação do estado do pavimento. Fazse ainda uma breve caracterização das principais patologias, que um pavimento poderá apresentar durante a sua vida. No capítulo 3, Metodologias de análise de custos de ciclo de vida são apresentadas as razões da importância deste tipo de análise para o caso dos pavimentos rodoviários com referência à evolução que este tipo de análise tem sofrido ao longo do tempo. Apresentam-se os custos envolvidos ao longo do ciclo de vida e abordam-se os principais aspectos metodológicos. São sucintamente apresentados os 10

12 diferentes métodos de avaliação económica aplicáveis ao caso dos pavimentos flexíveis bem como os respectivos princípios básicos com especial enfoque no Método do Valor Actual e no Método do Custo Equivalente Anual Uniforme. Na descrição destes métodos faz-se a necessária adaptação ao contexto rodoviário. No capítulo 4, Apresentação dos casos de estudo, são indicadas as soluções de pavimentação tomadas como referência neste trabalho. Das soluções apresentadas é mencionada a sua constituição e verificada a sua vida útil. Para os casos de estudo apresentados é definido o planeamento para o período de análise, descrevendo-se as principais intervenções a realizar. No capítulo 5, Custos envolvidos é apresentada uma estimativa detalhada dos custos unitários de construção, conservação e reabilitação das estruturas de pavimento seleccionadas, bem como uma estimativa dos custos suportados pela administração rodoviária, e na medida do possível, uma estimativa dos custos suportados pelos utentes e ambientais. No capítulo 6, Avaliação económica dos casos tipo é apresentada a avaliação económica propriamente dita das soluções apresentadas com base nos métodos apresentados no capítulo terceiro. Esta análise económica envolve também uma análise de risco e uma análise multi-critério. No capítulo 7, Considerações Finais são apresentadas as principais conclusões deste trabalho e os próximos passos que poderão ser dados, em futuros trabalhos de análise e investigação, que se debrucem sobre esta matéria. 11

13 Capítulo 2 Introdução aos pavimentos flexíveis Pavimentos e suas características A função essencial de um pavimento rodoviário é assegurar uma superfície de rolamento que permita a circulação dos veículos com comodidade e segurança, durante a vida do pavimento, sob acção do tráfego e das condições climáticas que ocorram. A um pavimento deve exigir-se dois tipos de qualidade: a qualidade funcional e a qualidade estrutural. A primeira relaciona-se com as exigências dos utentes, conforto e segurança de circulação, a segunda relaciona-se com a capacidade do pavimento para suportar as cargas dos veículos sem sofrer alterações para além de determinados valores limites, as quais colocariam em causa a garantia da qualidade funcional Tipos de pavimentos e sua constituição Relativamente à sua constituição, um pavimento rodoviário é considerado como um sistema multiestratificado, formado por várias camadas de espessura finita, apoiadas na fundação. Nas camadas de um pavimento tipo podem distinguir-se, pela função que desempenham, a camada superficial ou camada de desgaste e o corpo do pavimento. A camada de desgaste tem a função de assegurar as características funcionais, de modo a contribuir para uma circulação com conforto e com segurança. Adicionalmente, e do ponto de vista da sua contribuição para a qualidade estrutural, esta camada tem ainda a importante função de impermeabilizar o pavimento, evitando a entrada de água exterior para as camadas inferiores e para o solo de fundação. O corpo do pavimento, o principal responsável pela capacidade do pavimento em suportar as cargas do tráfego, pode compreender camadas estabilizadas com ligantes (betuminosos ou hidráulicos) e também camadas granulares. Essas diferentes camadas dispõem-se, normalmente, com qualidade e resistência decrescentes, de cima para baixo, em consonância com a progressiva redução dos esforços em profundidade. Cada uma delas tem também, em geral, a função de assegurar apoio para a realização da camada sobrejacente. Assim, no caso das camadas betuminosas, a camada subjacente à camada de desgaste designa-se por camada de regularização. Abaixo desta dispõe-se a camada de base, ligada ou não, seguindo-se a camada inferior do corpo do pavimento, construída directamente sobre a fundação, que tem em geral o nome de camada de sub-base e é normalmente constituída por materiais granulares apenas estabilizados mecanicamente por compactação, podendo também ser de solo tratado com cimento. A fundação é constituída pelo terreno natural. Quando este não tem as características desejadas, sobrepõe-se-lhe uma camada de solo melhor, às vezes tratado com ligantes, o chamado leito do 12

14 pavimento, que faz parte integrante da fundação. O leito do pavimento tem a função de aumentar a capacidade de suporte da fundação e a de homogeneizar as suas características resistentes. De acordo com o tipo de materiais e com a deformabilidade das camadas, podemos distinguir os seguintes tipos de pavimentos: flexíveis, rígidos e semi-rígidos (Quadro 2.1). Quadro 2.1. Tipos de pavimentos em função dos materiais e da deformabilidade (Branco et al, 2006) Tipo de Pavimento Materiais Deformabilidade Flexível Hidrocarbonados e granulares Elevada Rígido Hidráulicos e granulares Muito reduzida Semi-rígido Hidrocarbonados, hidráulicos, e granulares Reduzida Os pavimentos flexíveis apresentam as camadas superiores formadas por misturas betuminosas, ou seja, por materiais estabilizados com ligantes hidrocarbonados, geralmente o betume asfáltico, seguidas inferiormente de uma ou duas camadas constituídas por material granular. Os pavimentos rígidos têm uma camada superior constituída por betão de cimento, ou seja por material granular estabilizado com ligantes hidráulicos, geralmente o cimento portland, seguida de uma ou duas camadas inferiores constituídas também por material granular estabilizado com ligante hidráulico e/ou apenas constituído por material granular. Por fim, os pavimentos semi-rígidos apresentam características comuns aos dois tipos de pavimentos anteriores. Uma ou duas camadas superiores constituídas por misturas betuminosas, seguidas de uma camada constituída por agregado estabilizado com ligante hidráulico, podendo ainda dispor de uma camada granular na sub-base. Quanto à deformabilidade, cada um destes três tipos de pavimentos, sob a acção de uma determinada carga, apresenta diferentes valores de deformação vertical da sua superfície, sendo considerada elevada para pavimentos flexíveis, muito reduzida para pavimentos rígidos e reduzida para pavimentos semi-rígidos. De seguida, trata-se exclusivamente a matéria objecto principal da dissertação Pavimentos Rodoviários Flexíveis. Num pavimento flexível, a constituição pode ser muito diversa, em função da intensidade do tráfego, da resistência do solo de fundação e das características dos materiais disponíveis, as quais por sua vez, dependem das condições climáticas. Surgem naturalmente dois tipos de pavimentos flexíveis, um com camada de base em materiais granulares e outro com camada de base em misturas betuminosas. Os primeiros caracterizam-se por terem camadas de base e sub-base em materiais granulares não ligados, sobre as quais assenta um tratamento superficial ou camadas de misturas betuminosas. Neste tipo de pavimentos, as camadas granulares constituem o principal elemento resistente da estrutura. Estas devem resistir às acções induzidas pelo tráfego e redistribuí-las pela fundação, para que possam ser suportadas por esta. A camada de desgaste tem, como foi dito anteriormente, a principal função de impermeabilizar o pavimento, resistir ao desgaste produzido pelos rodados dos 13

15 veículos e proporcionar uma superfície de circulação cómoda e segura. Trata-se de pavimentos cujas camadas se caracterizam de baixo para cima, por uma capacidade de suporte crescente e uma permeabilidade decrescente. Os segundos, os pavimentos flexíveis com camada de base em misturas betuminosas, empregues em auto-estradas e itinerários principais, em Portugal e também noutros países da Europa e da América do Norte, são constituídos por camadas betuminosas com espessura elevada, aplicadas sobre camadas granulares não ligadas. A camada de base trabalha em flexão diminuindo significativamente o nível das tensões transmitidas à fundação, quando a sua rigidez é relativamente elevada, podendo também comportar-se como uma camada mais flexível, transmitindo assim tensões mais elevadas à fundação Materiais de pavimentação Os materiais que constituem as camadas de pavimento devem ter determinadas propriedades e garantir determinados desempenhos para que o pavimento no seu conjunto ofereça as condições para que foi concebido. No quadro 2.2 apresentam-se os materiais de pavimentação para cada camada. Quadro 2.2. Materiais de pavimentação para cada camada (Neves, 2007) Camada Desgaste Regularização Base Sub-base Material Pavimento Flexível Misturas betuminosas Misturas betuminosas Misturas betuminosas ou materiais granulares Materiais granulares ou misturas com ligantes hidráulicos a) Materiais Granulares Os agregados são utilizados na construção das camadas granular de base e sub-base e em camadas betuminosas, podendo ser tratados ou não. Podem ser de origem natural (areias, cascalheiras e rochas britadas), artificial (escorias industriais) e reciclados (resíduos de construção). Geralmente o seu processo de fabrico consiste em seleccionar uma zona a explorar, seguindo-se a desmatação e decapagem, o desmonte da rocha e a carga e transporte da rocha para a central de britagem. Na central de britagem dá-se a britagem do material, seguindo-se a crivagem e posteriormente o armazenamento. Os mecanismos de britagem são consoante o aumento de energia aplicada, a abrasão (tensões localizadas), clivagem (compressão) e corte (impacto). A crivagem corresponde a uma selecção granulométrica e a sua qualidade é condicionada pelo estado do agregado (humidade), inclinação e frequência de vibração. A tipologia adoptada para os materiais granulares empregues em camadas de pavimentos, a que se associa os códigos estabelecidos nas rubricas de trabalhos rodoviários indicam-se no Quadro

16 Quadro 2.3. Tipologia adoptada para os materiais granulares (JAE, 1995) Símbolo Código Principais características BGr Material britado recomposto em central Granulometria extensa Dimensão máxima: 25 mm Equivalente de areia mínimo: 70 % Los Angeles máximo: 30 % (granulometria G) BG Material britado sem recomposição (tout-venant) aplicado em camada de base Granulometria extensa Dimensão máxima: 37,5 mm Equivalente de areia mínimo: 50 % Los Angeles máximo: 35 % (granulometria F) SbG Material britado sem recomposição (tout-venant) aplicado em camada de sub-base Granulometria extensa Dimensão máxima: 50 mm Equivalente de areia mínimo: 50 % Los Angeles máximo: 40 % (granulometria B) GN Material não britado Granulometria extensa Dimensão máxima: 75 mm Equivalente de areia mínimo: 30 % Los Angeles máximo: 40 % (granulometria B) SS Solo seleccionado Índice de plasticidade 6 % Limite de liquidez 25 % CBR> 10 % (grau de compactação = 95 %; Proctor modificado) Equivalente de areia mínimo: 25 % Em camada de base são utilizados: Agregado britado recomposto em central (BGr) Agregado britado sem recomposição de granulometria extensa (tout-venant) (BG) E em camada de sub-base: Agregado britado sem recomposição de granulometria extensa (tout-venant) (SbG) Agregado não britado (material aluvionar) (GN) Solo seleccionado (SS) Estes materiais apresentam as propriedades indicadas no Quadro 2.4. Quadro 2.4. Propriedades dos materiais granulares, ensaios e objectivos (Neves, 2007) Propriedades Ensaio Objectivo Granulometria Peneiraçao Obter compacidade elevada Forma das partículas Índices de lamelação e Obter atrito interno elevado e boa resistência ao alongamento corte Plasticidade dos finos Limites de consistência Obter atrito interno elevado e boa resistência ao corte Resistência mecânica ao choque Los Angeles Partículas resistentes Durabilidade Sulfato de sódio Sulfato de magnésio Partículas não alteráveis Dureza Los Angeles Partículas resistentes Limpeza do material Equivalente de areia Azul de metileno Material não contaminado por finos nocivos 15

17 Todos estes ensaios estão devidamente normalizados e em obra estes materiais têm que obedecer a determinadas condições referidas no caderno de encargos. b) Misturas Betuminosas As misturas betuminosas são constituídas por agregados (80 a 85%), betume (8 a 13%) e ar, cujas propriedades dependem das proporções relativas destes componentes, assim como das características intrínsecas do betume e dos agregados (Neves, 2007). Podem ser fabricadas a quente ou a frio, consoante o betume for ou não aquecido. Misturas betuminosas a quente As misturas betuminosas fabricadas a quente, em central, podem ser aplicadas em camadas com características de desgaste, regularização ou base. Nas obras de pavimentação estes materiais são empregues, essencialmente, com os seguintes objectivos: oferecer aos utentes uma superfície que permita a circulação em dadas condições de segurança, economia e conforto; conferir à estrutura do pavimento resistência às acções do tráfego; impermeabilizar as camadas do pavimento, limitando a entrada de água. Para que as misturas se comportem de forma adequada, durante a construção e após a entrada em serviço, é necessário garantir características adequadas, designadamente no que se refere a: Trabalhabilidade Deformabilidade Resistência à fadiga Resistência à deformação permanente Durabilidade, em particular para as camadas de desgaste (resistência ao envelhecimento e à acção da água) No caso de se destinarem a camadas de desgaste, as misturas deverão, ainda, após aplicação, obedecer a requisitos adicionais, em aspectos relativos ao atrito, rugosidade e características ópticas, essenciais à garantia de boas condições de segurança, economia e conforto. De acordo com a Association Mondiale de la Route/World Road Association, as misturas betuminosas a quente podem ser classificadas, quanto à sua porosidade (V v ) em classes (Quadro 2.5). Quadro 2.5. Classificação das misturas betuminosas quanto à sua porosidade (JAE, 1995) V v Classificação em 4 classes Classificação em 3 classes <5% Mistura fechada 5 10% Mistura semi-fechada Mistura densa 10 15% Mistura semi-aberta Mistura semi-densa > 15% Mistura aberta Mistura aberta 16

18 Reflectindo a nossa tradição construtiva, as misturas densas são as que geralmente se utilizam. Nas camadas de desgaste e de regularização empregam-se misturas fechadas, e nas camadas de base, misturas semi-fechadas e semi-abertas. No Quadro 2.6 apresenta-se a tipologia das misturas betuminosas a quente. Quadro 2.6. Tipologia adoptada para as misturas betuminosas fabricadas a quente (JAE, 1995) Símbolo Código Principais características MB Macadame betuminoso em camada de base Dimensão máxima do agregado: 37,5 mm Teor em betume: 4,0 4,8 % Porosidade: 6 9 % Espessura recomendável: 9 15 cm (min. 8 cm; Max. 16 cm) MB Macadame betuminoso em camada de regularização Dimensão máxima do agregado: 25 mm Teor em betume: 4,0 4,8 % Porosidade: 8 10 % Espessura recomendável: 8 12 cm MBD Mistura betuminosa densa em camada de regularização Dimensão máxima do agregado: 16 mm Teor em betume: 4,8 5,4 % Porosidade: 4 6 % Espessura recomendável: 5 8 cm BD Betão betuminoso em camada de desgaste Dimensão máxima do agregado: 14 mm Teor em betume: 5,2 5,8 % Porosidade: 3 5 % Espessura recomendável: 4 6 cm As características mecânicas das misturas dependem de vários factores, dos quais se destacam: a composição volumétrica, o tipo de betume, as condições de temperatura e a velocidade de aplicação das cargas (circulação). Através de estudos laboratoriais de formulação, ensaiam-se diferentes composições e/ou tipos de betume, tendo em vista a definição das condições de aplicação em obra. A escolha das granulometrias, tipo de betume e composição das misturas, deve ter em conta as condições de temperatura da região onde vão ser aplicadas e as velocidades de circulação dos veículos pesados que as virão a solicitar. Misturas betuminosas a frio As misturas betuminosas a frio são produzidas em central, espalhadas e compactadas sem necessidade de aquecimento prévio dos materiais. São compostas por uma mistura de agregados à qual se junta uma emulsão betuminosa como ligante e, eventualmente, água e aditivos, de tal forma que todas as partículas de agregados fiquem envolvidas por uma película de ligante, depois de ocorrer a rotura (separação da água quimicamente e por evaporação). Tradicionalmente são usadas na realização de camadas de pavimentos nas quais o tráfego não é muito significativo e em camadas que não são de desgaste. 17

19 Em Portugal, as misturas betuminosas aplicadas a frio são designadas por: Agregado Britado de Granulometria Extensa Tratado com Emulsão Betuminosa e Mistura Betuminosa Aberta a Frio. Qualquer uma destina-se principalmente à construção de camadas de base e de regularização, de estradas com tráfego reduzido, e ainda no reperfilamento de pavimentos existentes e no enchimento de bermas. c) Misturas com ligantes hidráulicos Para pavimentos flexíveis, usam-se misturas de solo-cimento fabricadas em central, utilizadas em camadas de sub-base, desde que se disponha de solos granulares com adequadas características granulométricas e de homogeneidade. Este tipo de mistura tem um comportamento que depende essencialmente: da dosagem e do tipo de ligante; do tipo do agregado (das suas características físicas e da sua granulometria); da compacidade da mistura; das condições de cura. Previamente à aplicação dos materiais em obra deve ser realizado um estudo de formulação que defina a composição da mistura, garantindo adequadas condições de compactação e satisfazendo os requisitos mínimos relativos à sua resistência. d) Rega de impregnação A rega de impregnação consiste na aplicação de um ligante hidrocarbonado sobre uma camada granular, realizada previamente à aplicação de camadas betuminosas ou de tratamentos superficiais. Normalmente é aplicada entre a camada de base e a camada de sub-base, de forma a diminuir a descontinuidade entre o material solto e o material ligado (Neves, 2007). O ligante empregue em regas de impregnação pode ser um betume fluidificado ou uma emulsão betuminosa especial para regas de impregnação do tipo catiónico ECI de baixa viscosidade (Jiménez, 2007). e) Rega de colagem A rega de colagem consiste na aplicação de uma emulsão betuminosa sobre uma camada tratada com ligantes hidrocarbonados ou com ligantes hidráulicos, efectuada antes da colocação de uma camada betuminosa sobre a primeira. Exceptuam-se os casos em que a camada betuminosa é um revestimento superficial ou um microaglomerado a frio, em que não é aplicada rega de colagem. Geralmente é aplicada na transição Desgaste Regularização e Regularização Base, para que as camadas betuminosas funcionem como um todo. O tipo de emulsão a empregar na rega de colagem é em geral ECR-1, não sendo usual, em Portugal utilizar emulsões aniónicas (EAR-1) neste tipo de aplicação. Em camadas de desgaste com espessura inferior a 40mm e em pavimentos destinados a tráfego muito intenso, recomenda-se que sejam utilizadas emulsões betuminosas modificadas (Jiménez, 2007). 18

20 Comportamento dos pavimentos flexíveis A Figura 2.1 apresenta duas estruturas de pavimentos flexíveis: estrutura a), destinada a um tráfego reduzido, considerando uma fundação com elevada capacidade de suporte, e estrutura b), esta destinada a um tráfego intenso e com uma fundação de reduzida capacidade de suporte. Indica-se, para cada camada, a sua espessura, o material que a constitui e valores típicos das suas características de deformabilidade (módulo de deformabilidade e coeficiente de Poisson). Mediante a aplicação de regas de colagem com ligantes betuminosos entre camadas, procura-se que as camadas betuminosas fiquem coladas umas às outras, funcionando portanto como uma só camada. Nestas condições de interface as camadas betuminosas no seu conjunto estão submetidas a um estado de tensão que, no plano vertical, varia de uma tensão de compressão máxima na face superior da camada de desgaste, até um valor máximo de tensão de tracção na face inferior da última camada, como está representado na Figura 2.1, traço contínuo. Quando as camadas betuminosas se encontram descoladas entre si, para cada uma delas ocorrem tensões máximas de compressão na face superior e tensões máximas de tracção na face inferior (traço descontínuo). Esta situação corresponde a um estado de tensão muito mais severo que o verificado com as interfaces coladas. Como se vê, o modo de funcionamento de um pavimento flexível está dependente, não só das características dos materiais de cada camada, mas também das respectivas condições de fronteira, ou seja das respectivas interfaces. Nos casos em que uma interface, considerada colada no projecto, passou a descolada podem ocorrer duas situações que contribuem para a evolução acelerada das degradações do pavimento: por um lado as tensões máximas de tracção na face inferior da última camada betuminosa podem ser superiores às tensões admissíveis consideradas em projecto e, por outro lado, a camada de desgaste pode estar submetida a esforços de tracção, para os quais não foi concebida. Relativamente às camadas granulares, tendo em conta que estas não têm capacidade de resistir a esforços de tracção, verifica-se uma variação dos esforços de compressão, que são máximos à superfície e se reduzem em profundidade, em função das características resistentes das camadas constituintes do pavimento. 19

21 Figura 2.1. Pavimento flexível: constituição e comportamento (Branco et al, 2006) 2.2 Metodologias de projecto As metodologias de projecto têm como finalidade escolher de entre várias, a estratégia de investimento inicial e de conservação e reabilitação que melhor se adeqúe a uma determinada situação. Estas estratégias são responsáveis por manter, durante a vida do pavimento, o nível de serviço fixado inicialmente. O estudo comparativo destas estratégias necessita de uma abordagem económica, tendo em conta, a longo prazo, elementos aleatórios tais como, os Invernos rigorosos e o aumento do tráfego. Este estudo consiste em comparar diferentes aspectos: os custos de construção, de conservação e reabilitação; as vantagens associadas principalmente ao reforço de segurança, aos ganhos de tempo, às reduções de custos de funcionamento dos veículos e aos efeitos indirectos sobre a economia. A avaliação faz-se em termos de balanço actualizado e geralmente a estratégia encontrada é aquela que minimiza os custos actualizados num período de análise. As estratégias de investimento podem ser diferentes tendo em consideração a importância do investimento inicial, observa-se sucessivamente os seguintes casos (LCPC e SETRA, 1994): 20

22 um investimento inicial de construção elevado, correspondente a pavimentos concebidos para uma longa duração, com um baixo risco na falha de limitações de uso e dano estrutural; um investimento inicial baixo, correspondente a uma duração mais curta e de risco de interrupções de serviço mais elevadas; uma construção faseada Investimento inicial elevado Esta escolha corresponde ao objectivo de conceber pavimentos que não apresentem degradações estruturais durante um longo período. De acordo com as espessuras que resultam de um tal dimensionamento, a degradação desses pavimentos será geralmente lenta, a menos que a camada de desgaste não garanta convenientemente o seu papel de protecção da estrutura. Estes pavimentos são portanto adaptados a uma política de nível de serviço elevado do ponto de vista da regularidade do serviço prestado: fraco risco de interrupção de tráfego associado às variações climáticas e constrangimentos aos utentes apenas durante o período de renovação da camada de desgaste. Há intervenção sempre que os indicadores do estado traduzem uma certa degradação do nível de serviço antes que surjam degradações estruturais. Esta intervenção preserva por conseguinte o capital de resistência mecânica da estrutura Investimento inicial baixo Por conseguinte, os pavimentos concebidos para durações curtas e de risco elevado tenderão a ver as suas características mecânicas degradar rapidamente, mesmo que o nível de serviço inicial (segurança e conforto) seja bom, devendo-se à fraca qualidade da realização e às fracas características dos materiais escolhidos para a camada de desgaste. No limite, pode-se imaginar: Conceber um investimento inicial que conduza a um limite aceitável para a vida da estrutura do pavimento, a fim de obter uma duração que seja da ordem da durabilidade das características de desgaste do pavimento. Realizar ao fim desse prazo uma conservação estrutural, com restabelecimento ao mesmo tempo, das características de desgaste do pavimento. A política de manutenção adoptada a este tipo de pavimentos é uma estratégia de intervenção curativa, que só intervêm quando os limites de degradação da estrutura são atingidos Construção faseada Entre as duas estratégias extremas, poder-se-ão considerar estratégias de construção faseada. 21

23 Neste caso a espessura do corpo do pavimento é aumentada com reforços sucessivos, destinados a adaptar a estrutura à evolução do tráfego e à sua agressividade (Figura 2.2). Figura 2.2. Ilustração da estratégia de construção faseada (LCPC e SETRA, 1994) A estratégia pode ser descrita deste modo: A estrutura inicial é concebida para um risco de cálculo moderado a fraco, como uma estratégia de investimento inicial elevado, mas para uma duração mais curta, de modo que ela não necessite de conservação estrutural geral durante este período. Em função do tráfego acumulado e das acções climáticas, o pavimento recebe carregamentos sucessivos. O nível de serviço que esta estratégia permite, pode ser bastante elevado, se as condições seguintes forem respeitadas (LCPC e SETRA, 1994): o risco de cálculo ao fim da duração deve, em geral, manter-se moderado. Sendo ainda, insuficientes os conhecimentos neste domínio, podemos estimar que um valor da ordem de 10 a 15% poderá constituir um máximo. No entanto, as degradações que afectam o conforto e a segurança aparecerem provavelmente antes do fim da duração inicial; a plataforma de suporte do pavimento deve ser concebida para garantir desde a 1ª etapa, uma protecção suficiente para resistir ao gelo/degelo. A redução do espessamento das camadas de base e de desgaste deve ser compensada ao nível das camadas granulares; a evolução dos pavimentos deve ser regularmente vigiada a fim de realizar em tempo oportuno, as intervenções de conservação e carregamento. O ponto sensível da solução de construção faseada é efectivamente a grande vulnerabilidade de todo o tipo de atraso na colocação das camadas de reabilitação, dando-se a aceleração das degradações, comprometendo portanto o ganho económico gasto inicialmente. 22

24 A estratégia correspondente ao dimensionamento de pavimentos para uma duração longa e um risco baixo, com conservação preventiva, é adequada para auto-estradas e estradas com tráfego elevado. O objectivo da redução do incómodo para os utentes devido aos trabalhos, é tido em conta actualmente, dai ser mais confortável esta escolha. As estratégias de construção faseada podem revelar-se interessantes para as estradas com tráfego médio e/ou a intenso crescimento, assim como em regiões com clima geralmente pouco rigoroso (aspecto do comportamento gelo/degelo). Estudos técnico-económicos têm mostrado que as estratégias de construção faseada, verificam globalmente mais consumo em materiais e em energia que a solução de construção numa só fase. Este ponto pode apresentar alguma importância num contexto de restrição de recursos e no aumento do custo dos produtos petrolíferos, como aquele que se tem verificado nos últimos tempos. Para partes da rede com baixo tráfego, ou de interesse económico secundário, o leque de escolhas pode ser alargado a estratégias de investimento inicial fraco e conservação curativa. Geralmente esta escolha não corresponde, portanto, a um óptimo económico (excepto caso de muito reduzido tráfego), mas resulta em fortes constrangimentos orçamentais. (LCPC e SETRA, 1994) A prática de projecto em Portugal Com o objectivo de apoiar e orientar a concepção de estruturas de pavimentos e respectivas fundações a adoptar na construção de novas infra-estruturas rodoviárias, incluídas no Plano Rodoviário Nacional, surge o Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional (MACOPAV), elaborado pela Junta Autónoma de Estradas em A utilização deste manual, na selecção de uma estrutura de pavimento apropriada a um dado caso de estudo, compreende as seguintes etapas: recolha e sistematização dos dados: tráfego, condições climáticas, fundação do pavimento e materiais de pavimentação; definição das estruturas de pavimentos possíveis: estruturas de pavimento e perfis transversais. Neste sentido, uma vez que o Manual de Concepção abrange toda esta temática e apoia a pratica de projecto em Portugal, este sub capítulo é essencialmente baseado nele Dados de projecto a) Tráfego Para o dimensionamento dos pavimentos rodoviários apenas é considerado o efeito do tráfego de veículos pesados. Considera-se veículo pesado, aquele cujo peso bruto é igual ou superior a 3 tf, e que de acordo com a metodologia das contagens de tráfego efectuadas pela Junta Autónoma de Estradas, pertencem às classes F, G, H, I, J e K (JAE, 1995). 23

25 Como o pavimento deve assegurar a circulação de tráfego em dadas condições durante o período de dimensionamento, a verificação da capacidade de carga dos pavimentos é feita com base no número acumulado de veículos pesados (NAVP) que se prevê irão circular sobre o pavimento durante aquele período, considerando-se: o tráfego médio diário anual de veículos pesados no ano de abertura, por sentido de circulação, na via mais solicitada por esses veículos; o período de dimensionamento; a taxa média de crescimento anual de veículos pesados no período de dimensionamento; a distribuição do tráfego pelas vias existentes num dado sentido. Como se verá, a partir do número acumulado de veículos pesados (NAVP), determina-se o número equivalente de passagens de um eixo padrão, com base num factor de agressividade do tráfego pesado. Tráfego médio diário anual de veículos pesados Tendo em vista uma sistematização das estruturas do pavimento, o Manual de Concepção considera 8 classes para o tráfego médio diário anual de veículos pesados. A sua escolha baseou-se numa análise estatística do tráfego na rede rodoviária nacional, satisfazendo na sua globalidade às situações reais da procura nesta rede, e teve em consideração os intervalos utilizados para o mesmo efeito noutros países. Distribuição do tráfego pelas vias A circulação do tráfego pesado, embora se faça predominantemente na via situada mais à direita, pode repartir-se pelas vias existentes num dado sentido, caso exista mais do que uma. No caso de duas ou mais vias no mesmo sentido poderão considerar-se as percentagens indicadas no Quadro 2.7. Quadro 2.7. Percentagem do tráfego na via mais solicitada (JAE, 1995) Nº de vias Via mais solicitada ou mais 80 Período de dimensionamento O dimensionamento de um pavimento visa assegurar adequadas condições de circulação do tráfego durante um dado período, que se designa por período de dimensionamento, minimizando a necessidade de obras de conservação nesse período. As condições de circulação envolvem os aspectos de segurança, economia e conforto que são proporcionados aos utentes. Para os pavimentos flexíveis e semi-rígidos consideram-se períodos de dimensionamento de 20 anos, para os pavimentos rígidos o período adoptado é de 30 anos. Para as classes de tráfego T 5, T 6 e T 7, os períodos de dimensionamento podem ser inferiores aos referidos anteriormente, podendo adoptar-se um valor entre 10 e 15 anos. Além disso, para as 24

26 mesmas classes de tráfego, poderá ter interesse económico a adopção de uma construção faseada, ajustada à evolução do tráfego e/ou das condições de serviço, conforme já referido anteriormente. Taxa média de crescimento anual A avaliação da taxa de crescimento anual do tráfego pesado deve ser realizada com base em estudo específico, onde seja, ponderados os diversos aspectos condicionantes da sua evolução ao longo do período de dimensionamento. Para as diferentes classes de tráfego, e em situações onde não se disponha de estudo específico, consideram-se taxas geométricas médias anuais de crescimento, durante o período de dimensionamento. Factor de agressividade Para exprimir o efeito de um dado número acumulado de passagens de veículos pesados com características muito diversas, faz-se a sua conversão em passagens equivalentes de um eixo padrão, adoptando-se, para tal, factores de agressividade, cujos valores são definidos no Manual de Concepção em função do (TMDA) p. Os factores de agressividade médios resultam da análise de valores obtidos em estações de pesagem, e tiveram em atenção a ocorrência de eixos sobrecarregados, sobretudo nos itinerários de maior volume de tráfego pesado. Em Portugal, tal como em muitos outros países, é utilizado frequentemente, no caso dos pavimentos flexíveis, o eixo padrão de 80 kn. Outros países (Espanha, França, e também nalgumas situações em Portugal) usam o eixo padrão de 130 kn, mais próximo das cargas máximas legais dos eixos simples (Branco et al, 2006). No Manual de Concepção foi adoptado o eixo padrão de 80 kn para avaliar o tráfego de dimensionamento de pavimentos flexíveis e o eixo padrão de 130 kn para o de pavimentos semirígidos. Numero acumulado de eixos padrão Tendo em conta os valores admitidos para a taxa média de crescimento anual e para o factor de agressividade, o tráfego acumulado de eixos padrão durante o período de dimensionamento (N dim ), correspondente às varias classes de tráfego, é dado por: em que: dim N = 365 ( TMDA) p C α p (2.1) C é o factor de crescimento do tráfego, sendo dado por: t é a taxa média de crescimento anual do tráfego pesado α é o factor de agressividade do tráfego p é o período de dimensionamento p (1+ t) 1 C = p t 25

27 No Quadro 2.8 apresentam-se os elementos relativos às várias classes de tráfego, com a indicação do número acumulado de eixos padrão de 80 kn, a considerar, respectivamente, no caso de pavimentos flexíveis. Classe Quadro 2.8. Elementos relativos ao tráfego (JAE, 1995) (TMDA) p Taxa de crescimento médio (t ) Pavimentos flexíveis dim Factor de agressividade N 80 (20 anos) (α ) T 7 <50 estudo específico T x T x10 6 T x T ,5 4x10 7 T x T , T 0 >2000 estudo específico Posteriormente, para fazer a análise estrutural do pavimento há, porem, que definir a geometria das cargas que sobre ele actuam. O eixo padrão é um eixo simples, tendo em cada extremo um rodado, usualmente considerado como tendo duas rodas gémeas, afastadas uma da outra de uma distância L (Figura 2.3). Este rodado é considerado para traduzir a solicitação do tráfego para efeitos de dimensionamento do pavimento. A área A de contacto de cada roda com o pavimento é aproximadamente elíptica, com os dois eixos pouco diferentes; por simplicidade considera-se como circular de raio r. A pressão p de contacto toma-se como sendo igual à pressão de enchimento dos pneus. Conhecida a carga P do eixo padrão, cada roda descarrega a carga P/4 distribuída por uma área dada por P/4p (Branco et al, 2006). Figura 2.3. Representação das acções de um eixo padrão sobre o pavimento (Branco et al, 2006) Dois métodos de dimensionamento empírico-mecanicista de uso comum em Portugal, o Método da Shell e o Método de Nottingham consideram, para o eixo padrão de 80 kn: Shell: L = 105 mm, p = 0,6 MPa e r 105 mm; Notingham: L = 150 mm, p = 0,5 MPa e r = 113 mm. Para o eixo padrão de 130 kn é frequente adoptar: 26

28 L = 125 mm, p = 0,662 MPa e r = 125 mm b) Condições climáticas Os pavimentos são estruturas muito expostas às acções climáticas. As condições ambientais são, pois, um factor importante no dimensionamento, condicionando os trabalhos de construção e conservação dos pavimentos, e também a segurança da circulação rodoviária. Os factores climáticos que mais influenciam o comportamento dos pavimentos são os factores térmicos e os factores hídricos. Factores hídricos As condições hídricas afectam o estado de humidade das camadas granulares e do solo de fundação, e condicionam deste modo o seu comportamento mecânico. O Manual de Concepção admite a existência de um adequado sistema de drenagem (superficial e interna) que permite considerar, para as camadas granulares e para o solo de fundação, um comportamento mecânico corrente. Nas camadas granulares, se o sistema de drenagem da estrada estiver a funcionar convenientemente e se não estiverem fendilhadas as camadas betuminosas do pavimento, a variação do teor em água nessas camadas é pouco importante. A variação do teor em água da fundação dos pavimentos é tida em conta ao fixar as suas características de resistência e deformabilidade, tomando-se em geral as correspondentes às situações de teor em água, mais desfavoráveis. Factores térmicos Nos pavimentos flexíveis, as condições térmicas afectam as propriedades mecânicas das misturas betuminosas, por isso, considera-se a influência da temperatura nas propriedades das misturas betuminosas, designadamente o efeito de temperaturas elevadas na evolução das deformações permanentes resultante da acção do tráfego. Segundo o Manual de Concepção, o país é dividido em três zonas designadas por temperada, média e quente, em função das temperaturas máximas que ocorrem no período estival. Em função do tipo de camada do pavimento (desgaste, regularização e base) e da classe de tráfego, é recomendado uma determinada classe de betume a empregar. As classes de betumes indicadas no manual são as recomendadas em face da experiência de uso de misturas betuminosas empregando betumes tradicionais. Caso se pretenda aplicar betumes modificados com polímeros ou betumes de penetração mais reduzida, deverão ser estimados os respectivos módulos de deformabilidade e corrigidas as espessuras indicadas. Para efeitos de dimensionamento, estabelece-se uma temperatura representativa, designada por temperatura de serviço, cuja determinação é possível por vários métodos, como por exemplo o Método da Shell. 27

29 c) Fundação do pavimento Classes de fundação Entende-se por fundação de um pavimento o conjunto das camadas onde este está apoiado, incluindo, para além da camada do leito do pavimento, os terrenos subjacentes. Para o seu dimensionamento devem analisar-se as características dos terrenos até à profundidade de um metro. De acordo com o Manual de Concepção, são consideradas quatro classes de fundação do pavimento, tal como indicado na Quadro 2.9. Quadro 2.9. Classes de fundação (JAE, 1995) Classes de fundação Gama Módulo da fundação (MPa) Valor de cálculo Classes de tráfego F 1 > 30 a T 5, T 6 F 2 > 50 a T 3, T 4, T 5, T 6 F 3 > 80 a T 1, T 2, T 3, T 4, T 5, T 6 F 4 > T 1, T 2, T 3, T 4, T 5, T 6 Cada classe de fundação é definida por um módulo médio, nominal, que assume os valores de 30 MPa (F 1 ), 60 MPa (F 2 ), 100 MPa (F 3 ) e 150 MPa (F 4 ), sendo recomendado o uso destes valores nos cálculos de dimensionamento dos pavimentos. A sua aplicabilidade às diversas classes de tráfego define condições mínimas mais exigentes no caso das vias mais solicitadas. Classes de terrenos Na espessura que constitui a fundação de um dado pavimento podem existir diversos terrenos (em escavação ou aterro), que, no caso mais usual, se podem considerar compreendidos em seis classes de terrenos de fundação (S 0, S 1, S 2, S 3, S 4, S 5 ). As classes de terrenos foram estabelecidas tendo em conta os materiais usualmente encontrados, e expressos em termos do valor de CBR para as condições mais desfavoráveis previsíveis em obra e após entrada em serviço. Tendo em vista a larga experiência da utilização da Classificação Unificada de Solos, contida na especificação American Society of Testing Materials (ASTM) D 2487, é apresentado no Manual de Concepção a previsível inclusão dos diversos tipos de solo daquela classificação, nas classes de terrenos, bem como a previsível reutilização dos diversos tipos de terrenos na execução do corpo dos aterros, no leito do pavimento e em sub-base, tendo em atenção as suas características mais importantes no domínio da sua aplicabilidade em obras rodoviárias. As camadas de leito do pavimento podem ser realizados em: solos arenosos seleccionados, dos grupos S 2, S 3 e S 4 ; seixo do grupo S 4 ; material granular britado com características idênticas às da sub-base granular britada; material granular britado 0/5 mm. 28

30 Em algumas situações poderá ser considerado técnico-economicamente adequado recorrer ao tratamento in situ de solos, em particular para mitigação de impactes ambientais. Estes solos podem ser tratados com cimento e/ou cal. Entre os materiais disponíveis economicamente para uso no leito do pavimento, a escolha do que se deve usar e a espessura da respectiva camada dependem, naturalmente, da qualidade (tipo) de solo sobre o qual o leito é construído e da capacidade de suporte que se pretende obter para a fundação. Pela natureza dos terrenos ocorrentes na maior parte do nosso país, é mais frequente utilizar, no leito do pavimento, solos seleccionados ou materiais granulares britados ( tout-venant ). Ainda no Manual de Concepção, partindo da classe de terreno existente, indicam-se as espessuras de materiais não ligados ou tratados com cal ou ligantes hidráulicos a utilizar no leito do pavimento, para a obtenção da classe de fundação pretendida Dimensionamento a) Abordagem na perspectiva dos pavimentos novos Os métodos de dimensionamento de pavimentos destinam-se a fixar os materiais a empregar e as espessuras das camadas dos pavimentos tendo em atenção as variáveis de projecto. Estes métodos podem classificar-se em dois grupos, consoante a forma como foram estabelecidos: os métodos empíricos, baseados exclusivamente na observação do comportamento de pavimentos de troços experimentais, e os métodos analíticos, que têm como base a modelação do comportamento dos pavimentos, relacionando os estados de tensão e de deformação induzidos pelo tráfego e pelas acções climáticas, com o desenvolvimento de degradações estruturais. A partir da aplicação de métodos analíticos, algumas Administrações Rodoviárias, designadamente a Portuguesa (actualmente Estradas de Portugal, EP), têm vindo a estabelecer procedimentos mais simplificados para a concepção dos pavimentos, recorrendo à elaboração de catálogos de secções de pavimentos, aos quais está subjacente a aplicação de determinado método de dimensionamento, e a experiência da própria Administração. Em Portugal, como referido anteriormente, foi desenvolvido em 1995 um Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional, que inclui um catálogo de secções de pavimentos. A utilização desse catálogo de secções de pavimentos tem como vantagem a sistematização de soluções de referência para as estruturas de pavimentos, tendo em conta a experiência adquirida pela Administração. Não deve no entanto, ser encarada como uma restrição à liberdade do projectista para propor a adopção de soluções não contempladas no catálogo, que porventura sejam consideradas mais adequadas face às variáveis de projecto. Observa-se que o próprio Manual de Concepção recomenda que na fase de projecto de execução se proceda ao dimensionamento dos pavimentos pela metodologia da análise estrutural. O dimensionamento de pavimentos rodoviários consiste, genericamente, nos seguintes passos: 29

31 1. Estabelecimento da espessura das camadas e composição dos materiais que as constituem. As estruturas novas mais comuns na pavimentação rodoviária portuguesa são constituídas por: camada de desgaste em betão betuminoso (geralmente com 5cm de espessura, embora possa ter 4cm para tráfego leve, classes T 5 e T 6 ou inferiores, ou 6cm para tráfego intenso, classes T 2 e T 1 ou superiores); camada de regularização ou de base (depende da espessura) em mistura betuminosa densa ou macadame betuminoso; camada de sub-base constituída por uma ou duas camadas granulares de agregado britado de granulometria extensa, geralmente com espessura de 15 ou 20cm (total de 30 ou 40cm no caso da existência de duas camadas); essa estrutura assenta no solo de fundação, que em caso de necessidade pode ter características melhoradas no topo, executando-se um leito de pavimento. 2. Definição do número de eixos padrão, Np, que vai solicitar o pavimento durante a vida útil considerada (geralmente 20 anos para pavimentos flexíveis novos) e a temperatura de serviço, para o local de dimensionamento. 3. Cálculo da rigidez do betume. 4. Cálculo do módulo de deformabilidade, (Em), das misturas betuminosas. 5. Fixação do módulo de deformabilidade da fundação. 6. Estimativa do módulo de deformabilidade da sub-base. 7. Com as camadas completamente caracterizadas mecanicamente e conhecendo as suas espessuras de partida, efectua-se o cálculo do estado de tensão-deformação, usando um dos programas de cálculo automático à disposição (por exemplo o BISAR). Obtém-se com este cálculo as extensões relevantes: extensão de tracção na base das camadas betuminosas, no sentido da progressão do tráfego (critério da fadiga); extensão vertical de compressão, no topo da fundação (critério de deformação permanente). 8. Com as extensões determinadas no passo anterior, segue-se o cálculo do número de eixos padrão que o pavimento suporta (eixos padrão admissíveis, Na) para o critério da fadiga e para o critério de deformação permanente. 9. Conhecendo o número de eixos padrão Np, que previsivelmente solicita a estrutura (passo 2) e o número de eixos padrão admissíveis, Na, pode obter-se a percentagem de resistência que se gasta, ou seja, o dano D: Np D = 100 (%) (2.2) Na Se D> 100% haverá subdimensionamento e se D <80% haverá sobredimensionamento. Geralmente, intervém-se na espessura da camada que se dimensiona, camada de regularização ou camada de base, já que a espessura das outras é habitualmente fixa. Com isto altera-se a temperatura de serviço nas misturas betuminosas, que é diferente para diferentes profundidades. 30

32 Com este novo valor, repetem-se o 3º passo e seguintes até chegar a um dimensionamento conveniente. Os seis primeiros passos constituem o pré-dimensionamento, os restantes passos referem-se à análise estrutural. O processo descrito está resumidamente caracterizado no Anexo 1. b) Abordagem na perspectiva da reabilitação Quando, por outro lado, estamos perante um pavimento já existente, torna-se por vezes necessário proceder à sua reabilitação. Esta reabilitação surge quando o pavimento deixa de oferecer a qualidade de serviço esperada, estando na iminência de iniciar um estado de ruína, e consiste no aumento da capacidade resistente do pavimento através do dimensionamento da espessura de camadas de reforço. Existem dois métodos que permitem dimensionar, no âmbito duma acção de reabilitação, a espessura de camadas betuminosas de reforço dum pavimento flexível. O primeiro que se vai designar por procedimento baseado nas deflexões reversíveis, é uma metodologia desenvolvida e aplicada pelo LNEC nos finais dos anos 60, tendo entretanto conhecido sucessivas transformações. O outro, de estrutura bastante mais simples, foi desenvolvido pelo Asphalt Institute (AI, 1983) e designa-se por procedimento baseado nas espessuras efectivas. Este último não será objecto da dissertação, pois não é utilizado correntemente em Portugal. Para fazer a análise no procedimento baseado nas deflexões reversíveis que permitirá definir a espessura da camada de reforço, é necessário conduzir, primeiramente, uma campanha de ensaios de carga que permitam a avaliação da capacidade de carga do pavimento a reforçar, e em seguida efectuar a estimativa do tráfego que solicitará o pavimento até à saída de serviço. Estes ensaios podem ser efectuados por alguns equipamentos, no entanto o Deflectómetro de Impacto é o equipamento que mais se utiliza para a observação da capacidade de suporte ao nível de projecto. Realizados os ensaios de carga e recolhida a informação descrita, é necessário fazer o tratamento dos dados obtidos, no sentido de estabelecer os trechos do pavimento uniforme do ponto de vista da capacidade de carga e, dentro de cada um, o local ou locais mais representativos. Para cada local seleccionado é preciso conhecer a estrutura de pavimento ensaiada, e isso consegue-se por meio de carotes colhidas e por poços abertos no bordo do pavimento. Conhecendo-se o tipo e valor da carga que provocou um determinado deflectograma, num pavimento com espessura e composição das camadas conhecida, e admitindo certas características mecânicas para as camadas, é possível estabelecer uma deformada do pavimento semelhante ao deflectograma seleccionado, recorrendo a um programa de cálculo do estado de tensão-deformação (como o BISAR), geralmente considerando comportamentos elástico-lineares. As características mecânicas das camadas de pavimento podem, numa primeira aproximação, ser estimadas da mesma forma 31

33 como o dimensionamento de estruturas de pavimento novas ou com base nos ensaios dos materiais recolhidos nos poços. Quando os deflectogramas medido e calculado são semelhantes, pode admitir-se que as características mecânicas do pavimento que deram origem ao deflectograma calculado são muito próximas das características mecânicas que o pavimento apresentava na altura da realização do ensaio de carga. Pode dizer-se que a característica mecânica determinante é o módulo de deformabilidade, pois é o parâmetro que caracteriza o comportamento estrutural do trecho de pavimento em análise. Assim sendo, para estabelecer a espessura duma camada de reforço, conhecendo o comportamento previsível da estrutura existente, pode recorrer-se a um processo semelhante ao do dimensionamento analítico dum pavimento novo. A camada de reforço deve possuir uma espessura e características suficientes para diminuir a extensão de tracção induzida pelo tráfego na base das camadas betuminosas do pavimento original, controlando desse modo a ruína por fadiga das camadas betuminosas existentes, bem como diminuir a extensão de compressão no topo do solo de fundação, diminuindo a possibilidade de assentamento à superfície, controlando deste modo a ruína por deformação permanente. A principal dificuldade deste procedimento é a representatividade dos deflectogramas dos locais escolhidos para traduzir o comportamento do pavimento. Esta dificuldade está relacionada com as condições termo-higrométricas existentes na altura da obtenção da capacidade de carga, já que a temperatura das camadas betuminosas condiciona o seu comportamento, tal como o teor em água no caso das camadas granulares e solo de fundação. Deve portanto haver uma interpretação cuidada da caracterização que é possível efectuar, ponderando essa interpretação com a experiência de realização de reabilitação em pavimentos flexíveis Conservação e reabilitação de pavimentos Patologia dos pavimentos flexíveis Após a sua construção e entrada em serviço, o estado dos pavimentos vai evoluindo, quer devido à acção da passagem do tráfego, quer por acção dos agentes atmosféricos (Antunes, 2005). A degradação pode ser do tipo estrutural ou funcional, sendo um fenómeno inerente a qualquer pavimento. A degradação do tipo estrutural está relacionada com o colapso da estrutura do pavimento ou com a fadiga de um ou mais componentes de tal ordem que o pavimento se torna incapaz de suportar as cargas impostas. A degradação do tipo funcional acontece quando o pavimento perde a capacidade de proporcionar uma circulação suficientemente segura e cómoda, associada à degradação das características superficiais, mais especificamente, da camada de desgaste. 32

34 O processo de evolução das degradações de um pavimento apoia-se no princípio da cadeia das consequências, em que uma degradação não evolui isoladamente no tempo, dando origem a outras degradações, ou seja, inicia-se uma actividade em ciclo, onde as diferentes degradações interferem mutuamente (Pereira e Miranda, 1999). As principais causa das degradações dos pavimentos flexíveis estão relacionadas com factores como a intensidade do tráfego, as acções climáticas, as deficiências dos materiais, deficiências de projecto ou da qualidade de execução. As patologias referentes aos pavimentos flexíveis podem ser agrupadas em quatro grandes grupos: deformações; fendilhamento; desagregação e polimento da camada de desgaste; e movimento de materiais. De acordo com o novo Catálogo de Degradações elaborado pelas Estradas de Portugal (EP, 2006) as reparações observáveis na camada de desgaste também são consideradas patologias, por melhor que estejam executadas, criam descontinuidades e tornam-se locais susceptíveis ao surgimento de novas patologias. A seguir, para cada grupo de degradações, são caracterizados os diferentes tipos de patologias. a) Deformações As deformações podem ser divididas em abatimento, ondulação, deformações localizadas e rodeiras, e devem-se na sua maioria a factores de degradação como as condições de drenagem, a capacidade de suporte da fundação e a camadas estruturais de reduzida compacidade (Branco et al, 2006), tal como se apresenta no Quadro Abatimento Quadro Tipos de deformações associadas a pavimentos flexíveis (Branco et al, 2006) Longitudinal pode localizar-se ao longo do pavimento junto à berma ou ao longo do eixo da faixa de rodagem. Berma pode resultar de uma redução da capacidade de suporte das camadas granulares e do solo de fundação, relacionada com a entrada de água através da berma ou da interface berma-pavimento. Eixo ocorre quando existe um fendilhamento ao longo do eixo, resultando uma redução da capacidade de suporte por infiltração de água até às camadas inferiores granulares e ao solo de fundação, ou problemas de construção da camada superficial de desgaste. Transversal tem uma localização dependente da ocorrência de situações patológicas ao nível das camadas inferiores, em particular no solo de fundação e camadas granulares. Deformações localizadas alterações de nível do pavimento, formando depressões ou alteamentos, podendo surgir isoladamente em diferentes pontos do pavimento; podem resultar da falta de capacidade do solo de fundação, contaminação localizada das camadas granulares, capacidade deficiente em zonas pontuais do pavimento, em particular das camadas granulares, e à rotura de canalização. Ondulação deformação transversal que se repete com uma determinada frequência ao longo do pavimento; pode ocorrer nas camadas de desgaste constituídas por revestimento superficial, devido a deficiências na distribuição do ligante; pode verificar-se também em camadas de betão betuminoso onde ocorra o arrastamento da mistura por excessiva deformação plástica, devido à acção do tráfego; pode também ter como causa a deformação da fundação. Rodeiras deformações transversais localizadas ao longo da zona de passagem dos rodados dos veículos, podendo ser de grande ou de pequeno raio; podem ter como causas a compactação insuficiente das camadas em geral, a capacidade deficiente das camadas granulares e da fundação, com ocorrência de deformações 33

35 permanentes (rodeiras de grande raio) ou mesmo a presença de misturas betuminosas com reduzida resistência à deformação plástica (rodeiras de pequeno raio). b) Fendilhamento O fendilhamento apenas ocorre nas camadas constituídas por misturas betuminosas, sendo o tipo de degradação mais frequente neste tipo de pavimentos. O quadro 2.11 descreve os tipos de fendilhamento associados a pavimentos flexíveis. Quadro Tipos de fendilhamento associados a pavimentos flexíveis (Branco et al, 2006) Fadiga fendas irregulares localizadas na zona de passagem dos rodados dos veículos, geralmente iniciadas na direcção longitudinal, progredindo na direcção transversal e noutras direcções irregulares; podem ser isoladas e ramificadas, consoante a menor ou maior fase de desenvolvimento respectivamente; as causas possíveis são a fadiga das camadas betuminosas, a falta de capacidade de suporte das camadas granulares e do solo de fundação, camada de superfície com qualidade deficiente dos materiais. Longitudinais fendas paralelas ao eixo da estrada, localizadas geralmente ao longo da zona de Fendas passagem dos veículos e por vezes junto ao eixo; as causas possíveis são a deficiência da junta longitudinal de construção, a drenagem deficiente, originando diferencial de capacidade de suporte junto à berma e/ou misturas betuminosas muito rígidas originando abertura de fendas por retracção. Transversais fendas sensivelmente perpendiculares ao eixo da estrada, isoladas ou com um espaçamento variável, abrangendo parte ou toda a largura da faixa de rodagem; podem ser resultantes de uma deficiência da junta transversal de construção, da retracção térmica da camada de desgaste ou mesmo da capacidade de suporte diferencial da fundação. Pele de crocodilo fendas que formam entre si uma malha de dimensão variável, localizada inicialmente na zona de passagem dos rodados dos veículos abrangendo progressivamente toda a largura da via de tráfego; resultante da evolução das fendas ramificadas; as causas podem ser as mesmas que foram anteriormente descritas para as fendas de fadiga. Outro tipo de fendilhamento que nos últimos anos tem vindo a ser observado nos pavimentos de elevada espessuras das camadas betuminosas é o fendilhamento com origem à superfície, o qual se inicia na superfície do pavimento e progride em profundidade, sem, no entanto, atingir a base das camadas betuminosas. Para a sua origem podem ser indicadas diversas causas, como as deficiências do processo construtivo (deficiente compactação e segregação das misturas betuminosas) e a agressividade do tráfego pesado (pneus de base larga e elevada pressão de enchimento) traduzida por elevadas tensões de tracção na superfície (Freitas, 2004). c) Desagregação e polimento da camada de desgaste A desagregação da camada de desgaste traduz-se na perda de qualidade superficial. Esta degradação resulta fundamentalmente da deficiente ligação entre os diferentes componentes de uma mistura betuminosa, da falta de estabilidade dessa ligação, de deficiências na execução da camada de desgaste, da segregação dos inertes em central durante o transporte ou na sua colocação, de betume deficiente, da presença de água (insuficiente secagem dos inertes) além de condições de temperatura desfavoráveis na fase de execução (temperaturas muito reduzidas) que afectam a compacidade da camada (Quadro 2.12). 34

36 Quadro Tipos de desagregação da camada de desgaste em pavimentos flexíveis (Branco et al, 2006) Desagregação superficial arranque de uma das fracções do agregado, geralmente a mais grossa ou perda do mastique (finos, filer e ligante betuminoso). Pelada (descamação) desprendimento em forma de placa, da camada de desgaste, relativamente à camada inferior; as causas mais influentes podem ser a espessura reduzida da camada de desgaste, uma deficiente ligação entre esta e a camada betuminosa seguinte ou até a falta de estabilidade da camada de desgaste. Ninhos (covas) cavidades de forma arredondada localizadas na camada de desgaste, podendo progredir para as camadas inferiores; as causas possíveis são a evolução de outras degradações, em particular do fendilhamento, a deficiente qualidade dos materiais da camada de desgaste e/ou uma zona localizada com deficiente capacidade de suporte. Polimento dos agregados desgaste por abrasão, geralmente da fracção grossa do agregado, conferindo à superfície do pavimento um aspecto polido e brilhante. d) Movimento de materiais O movimento de materiais resulta da movimentação de materiais constituintes das camadas betuminosas ou granulares, ou da fundação através das camadas do pavimento. Os tipos de movimento de materiais associados a pavimentos flexíveis são apresentados no Quadro Quadro Tipos de movimento de materiais associados a pavimentos flexíveis (Branco et al, 2006) Exsudação migração à superfície do ligante betuminoso na camada de desgaste, em particular na zona de passagem dos rodados dos veículos, conferindo-lhe um aspecto negro e brilhante; pode resultar de um excesso de ligante (consequente envolvimento dos agregados grossos e redução da macrotextura), de contaminação por rega de colagem excessiva, por ligante de reduzida viscosidade e/ou mistura betuminosa de reduzida estabilidade submetida a tráfego intenso e temperaturas elevadas. Subida (ou bombagem) de finos manchas de cor esbranquiçada, devidas à presença de finos, provenientes das camadas granulares e do solo de fundação, inicialmente junto às fendas, evoluindo para toda a superfície da camada de desgaste; a causa possível é a drenagem deficiente do pavimento, que promove a ascensão da água desde do solo de fundação, passando pelas camadas granulares e pelas camadas betuminosas fendilhadas, até à superfície do pavimento, arrastando consigo os finos, à passagem dos veículos Observação de pavimentos a) Características alvo de avaliação A informação sobre o estado da superfície e da estrutura dos pavimentos constitui um requisito essencial à eficaz gestão de uma rede rodoviária, constituindo, a observação de pavimentos, a actividade essencial à manutenção de qualquer base de dados rodoviária. As características alvo de avaliação, também denominadas parâmetros de estado, têm a função de caracterizar o estado funcional (superficial) e estrutural de determinado pavimento num dado instante de tempo. A avaliação do estado estrutural de um pavimento está relacionada com a determinação do seu nível de desempenho mecânico (capacidade de suportar as cargas para que foi projectado), tendo em conta factores como o tráfego e as condições climáticas (Freitas e Pereira, 2001). A avaliação do estado funcional do pavimento tem por objectivo definir se este apresenta um nível de serviço adequado às exigências dos utentes, permitindo que a circulação se faça, nomeadamente, em condições de segurança, conforto, economia e qualidade ambiental (Freitas e Pereira, 2001). 35

37 Frequentemente, verifica-se que os pavimentos apresentam uma degradação prematura da sua qualidade, quer estrutural, quer funcional (Freitas e Pereira, 2001). As características que devem ser avaliadas e que permitem a determinação do desempenho de um pavimento são as seguintes: degradações superficiais, deflexão; irregularidade longitudinal e transversal; atrito transversal e longitudinal; textura superficial; drenagem e ruído. Degradações superficiais O estado superficial é avaliado consoante as degradações observáveis à superfície, que são fundamentais para a análise da qualidade do estado não só funcional como estrutural do pavimento. A identificação das patologias, observáveis na superfície dos pavimentos, permite determinar as causas que estão na origem do seu aparecimento e associar a sua existência à influência que terão sobre outros parâmetros de avaliação. Capacidade estrutural A capacidade estrutural pode ser avaliada consoante as deflexões registadas (assentamentos observáveis à superfície do pavimento) quando o pavimento é submetido a um determinado carregamento (ensaios de carga). Os resultados dos ensaios de carga (valores de deflexões) permitem determinar a capacidade estrutural do conjunto do pavimento e da fundação, ao mesmo tempo que permitem avaliar a contribuição de cada camada para o comportamento estrutural tendo em conta as deflexões medidas a várias distâncias do ponto de aplicação da carga das várias camadas constituintes. Textura superficial A textura da superfície da camada de desgaste de um pavimento desempenha um papel determinante para a sua qualidade funcional, principalmente no que está relacionado com os seguintes aspectos: desenvolvimento das forças de atrito no contacto pneu/pavimento em condições desfavoráveis piso húmido ou molhado; resistência ao movimento (consumo de combustível); desgaste dos pneus por micro-deslizamento da borracha no contacto pneu/pavimento; ruído de baixa frequência, no interior e no exterior dos veículos; vibrações transmitidas pela coluna de direcção ao volante e ao interior dos veículos (Branco et al, 2006). A textura tem, desta forma, influência no que respeita à segurança, ao custo de operação dos veículos, ao conforto, e ao ambiente, o que torna esta característica de avaliação muito importante. A textura de um pavimento é determinada pelas suas irregularidades superficiais, que vão desde os mais finos detalhes da microtextura, passando pelas particularidades da macrotextura, até às maiores 36

38 ondulações da megatextura (Pinto, 2003). A distinção entre os vários tipos de domínios ou escalas de texturas é função do comprimento de onda considerado. Irregularidade longitudinal e transversal A irregularidade corresponde a uma gama de comprimentos de onda superiores a 0,5 m, e está relacionada com defeitos geométricos da camada de desgaste. Pode ser observada tanto longitudinalmente como transversalmente (Fontul, 2006). A irregularidade do perfil longitudinal pode ser devida a desnivelamentos da superfície do pavimento em relação ao seu perfil longitudinal teórico ou a defeitos da superfície do pavimento, que como consequência podem afectar a segurança, o conforto e os custos de circulação dos veículos (FORMAT, 2004). Ao longo de um trecho de pavimento podem ser identificados diferentes tipos de irregularidade longitudinal. A irregularidade do perfil transversal é uma característica importante a avaliar, visto ser fundamental para assegurar um bom desempenho da estrada, e para além de poder afectar as condições de conforto, é factor de degradação da segurança quando a superfície do pavimento se encontra molhada. Este parâmetro é, geralmente, um bom indicador da degradação superficial do pavimento, nomeadamente quando se verifica a existência de rodeiras (FORMAT, 2004). O principal objectivo para avaliar esta característica consiste em determinar a profundidade máxima das rodeiras, a partir da análise do perfil transversal. Considera-se que a irregularidade é a característica que mais influência a opinião do utente em relação ao nível de qualidade do pavimento (Yoder & Witczak, 1975). Atrito O atrito entre os pneumáticos e a superfície do pavimento representa um parâmetro importante, uma vez que está associado, fundamentalmente, à segurança de circulação dos veículos. Este parâmetro é de carácter evolutivo no tempo e depende de vários factores. Alguns estão inerentes ao tipo e ao estado do pavimento, outros são da responsabilidade do condutor (tipo e estado dos pneus relacionado com o grau de desgaste, a pressão de enchimento, a carga por roda e velocidade de circulação) e ainda depende das condições climáticas (chuva, neve, gelo) e da época do ano (temperatura e pluviosidade) (Pinto, 2003; Santos, 2007). O atrito de um pavimento pode ser avaliado a partir do coeficiente de atrito longitudinal que está relacionado com a distância de paragem, e do coeficiente de atrito transversal que avalia a segurança de circulação em zona de curva (Branco et al, 2006). O coeficiente de atrito é uma característica que apresenta evolução a curto prazo (ocorrência de precipitação) e a longo prazo (devido ao número acumulado de passagens de veículos). Drenagem 37

39 A drenagem da superfície de um pavimento é um factor essencial para a manutenção de um nível de serviço desejado e da segurança de circulação. Uma superfície com fracas características de drenagem contribui para a ocorrência de acidentes resultantes do fenómeno de hidroplanagem, perda de visibilidade e aparecimento de inúmeras patologias (Mahboub et al, 2003). No entanto, também é importante garantir que a drenagem das camadas subjacentes seja adequada, já que a acumulação de água a longo prazo no interior do pavimento reduz a capacidade de suporte das camadas granulares e do solo de fundação, promovendo ainda a bombagem de finos com a consequente deterioração rápida do pavimento. Para a obtenção de uma drenagem do pavimento adequada, são implementadas algumas técnicas de projecto como a inclinação transversal e a construção de camadas de desgaste porosas/drenantes. O objectivo destas camadas de desgaste é proporcionar uma rápida drenagem das águas superficiais de modo a diminuir o risco de ocorrência do fenómeno de hidroplanagem e de perda de visibilidade na presença de precipitação. No entanto, as camadas betuminosas devem possuir as características de impermeabilidade adequadas para que não se verifiquem problemas de infiltração e saturação ao nível das camadas de base e de sub-base. Ruído Os mecanismos de geração de ruído são influenciados pelo comportamento dos condutores (através do controlo da velocidade e da pressão dos pneus), pelas características dos pneus (estrutura, dimensão, rigidez da borracha, relevo, desgaste e idade), pelas características da superfície do pavimento (macrotextura e megatextura, cor, irregularidade, porosidade, rigidez, idade, desgaste e presença de água) e pelo clima (temperatura e vento) (Freitas et al, 2006). As consequências da exposição ao ruído produzido pelo tráfego rodoviário são notórias ao nível da saúde e qualidade de vida da população, como por exemplo, perturbações no sono, interferências na comunicação e no desempenho intelectual, assim como, incómodo, especialmente se for uma exposição continuada a níveis sonoros de intensidades superiores a 65 db(a) (Freitas et al, 2006), (AEA, 2004). O Regulamento Geral sobre o Ruído (RGR) (Decreto-Lei nº ) define limites de nível sonoro contínuo, para zonas consideradas sensíveis ou mistas. As zonas sensíveis são áreas definidas como vocacionadas para usos habitacionais, escolas, hospitais, espaços de recreio e lazer e outros equipamentos colectivos, prioritariamente utilizados pelas populações como locais de recolhimento. Por sua vez, as zonas mistas são áreas com ocupação semelhante às zonas sensíveis, no entanto, também afectas a actividades de comércio e serviços. As entidades, responsáveis pelo planeamento ou pelo projecto das novas infra-estruturas de transporte rodoviárias, devem adoptar as medidas necessárias para que a exposição da população ao ruído no exterior não ultrapasse os níveis sonoros regulamentares. 38

40 Os métodos correntes para a limitação do ruído rodoviário incluem a construção de barreiras acústicas, o controlo do tráfego (com a limitação da velocidade), a alteração do traçado vertical e horizontal, e a definição de zonas protegidas (Freitas et al, 2006). A construção de pavimentos com camadas de desgaste porosas/drenantes ou com betumes modificados com borracha, tem-se relevado uma medida eficaz para a redução do ruído de tráfego, em relação aos pavimentos tradicionais, 3/5 db(a) e 5/6 db(a), respectivamente (RECIPAV, 2007). b) Modos de avaliação das características A caracterização do estado do pavimento pode ser feita utilizando equipamentos de auscultação, efectuando ensaios, ou mesmo recorrendo à observação visual, conforme se indica no Quadro Quadro Alguns equipamentos/ensaios utilizados para a avaliação das características dos pavimentos (Alves, 2007) Características alvo Tipos de parâmetro de de avaliação estado Equipamentos/ensaios Deflexão Estrutural Deflectómetro de impacto; Viga Benkelman; Curviâmetro; Deflectógrafo de pavimentos LNEC; High Speed Deflectometer Degradações VIZIROAD (sistema informático); GERPHO ( Group d Examen par Estrutural/Funcional superficiais Photographie ); Equipamento de vídeo Irregularidades Estrutural/Funcional Perfilómetro Laser; Perfilómetro Inercial; Régua Técnica Volumétrica da Mancha; RUGO (equipamento com tecnologia Atrito e textura laser; CTmeter (Circular Texture Meter); DFtester (Dynamic Friction Funcional superficial Tester); Pêndulo Britânico; Grip-Tester; SCRIM (Sideway Coefficient Routine Inspection Machine); Perfilómetro Laser Ruído Funcional Método SPB; Método CPX Drenagem Estrutural/Funcional Outflow meter (medidor de escoamento); Permeâmetro Constituição dos pavimentos Estrutural Sondagens; Radar de Prospecção A avaliação estrutural pode ser feita por processos destrutivos (sondagens e ensaios laboratoriais, recorrendo à recolha de amostras) ou por processos não destrutivos. É preferível recorrer a processos não destrutivos para avaliar o estado do pavimento, de modo a não danificar o mesmo, embora a avaliação dos seus resultados possa torna-se mais complexa. A observação de pavimentos deve ser realizada segundo um plano bem definido (metodologia de observação), tendo em conta, entre outros factores, dois fundamentais: os objectivos da observação e os meios humanos e materiais disponíveis. Os principais aspectos a analisar na de observação são: a selecção dos trechos a observar e a frequência das observações. Para a análise objectiva dos resultados de observação dos pavimentos há um conjunto de dados complementares que deve incluir: as características geométricas (traçado em planta e em perfil); o tráfego; os acidentes; as características de todos os trabalhos realizados e as condições climáticas. 39

41 Técnicas de conservação e de reabilitação de pavimentos a) Técnicas de reabilitação das características superficiais As técnicas de reabilitação das características superficiais dos pavimentos rodoviários flexíveis aplicam-se ao nível da camada de desgaste, de modo a recuperar as características funcionais iniciais do pavimento. Estas técnicas devem ser aplicadas em pavimentos com boas condições estruturais. Como princípio geral, deve estudar-se o estado do pavimento a reabilitar e, em seguida, escolher a técnica que melhor se adapte às condições do pavimento e à estratégia de conservação adoptada. A técnica de reabilitação das características superficiais aplicada no caso de estudo é: a fresagem correspondente a uma operação de remoção do material de pavimentação até à espessura considerada, através da sua destruição; seguida de uma reposição de camadas constituídas por macadame betuminoso, betão betuminoso e/ou microbetão betuminoso rugoso. b) Técnicas de reabilitação das características estruturais A reabilitação estrutural dos pavimentos compreende a execução de uma ou mais camadas, acompanhadas ou não de outros trabalhos complementares (melhoria do sistema de drenagem, por exemplo). Essas camadas podem ser a camada de desgaste, a camada de regularização e a camada de base. Neste domínio, refere-se em geral o termo reforço do pavimento, significando a acção ou o conjunto de acções capazes de aumentar a capacidade estrutural do pavimento existente (pavimento degradado). As camadas de reforço propriamente ditas dependem do que o dimensionamento respectivo determinar, podendo ser apenas uma camada de betão betuminoso, que funciona como camada de desgaste, ou serem duas ou mais, havendo então, camada de base, de regularização e desgaste. No caso dos pavimentos estudados, procedeu-se à fresagem das camadas mais degradadas, à reparação da camada remanescente após a fresagem e à construção das novas camadas de reforço. Os materiais utilizados na construção destas novas camadas são iguais aos utilizados aquando da aplicação das técnicas de reabilitação superficial. Nas operações de reforço deve dar-se atenção à melhoria das condições de drenagem do pavimento, cujas deficiências são muitas vezes causadoras da ruína dos pavimentos, por afectarem a resistência da fundação, das camadas granulares e, por vezes, até das camadas betuminosas. Esta melhoria pode consistir na reparação de valetas e caleiras, no revestimento de valetas não revestidas, na 40

42 reparação de drenos longitudinais (frequentemente instalados sob valetas laterais e no separador central) e, no caso de não existirem, na construção destes drenos. A técnica da reciclagem de pavimentos, em geral, promove a melhoria da capacidade estrutural de um pavimento existente degradado, devendo por esta razão, ser considerada uma técnica de reabilitação estrutural. c) Técnicas de reciclagem de pavimentos A reciclagem de pavimentos rodoviários flexíveis consiste em obter novas misturas betuminosas com a utilização de material fresado dos pavimentos antigos a reabilitar, adicionando novos materiais (agregado e ligante). É uma técnica que pode ter como objectivo apenas a reabilitação das características superficiais, ou também, como é mais frequente, pode visar a reabilitação das características estruturais. A solução de reciclagem ideal, do ponto de vista técnico, económico e ambiental deveria responder aos seguintes objectivos: Reabilitar as características, estruturais e funcionais, do pavimento degradado Minimizar a rejeição de material, conduzido a vazadouro Minimizar a utilização de novos ligantes, em particular os betuminosos Utilizar resíduos industriais, quer como agregado, quer como ligante. Através de uma melhoria dos equipamentos e da tecnologia de construção, será possível tornar estas técnicas mais económicas, aumentando o interesse pela sua utilização. Entretanto, com as restrições de âmbito ambiental a que, cada vez mais, estarão sujeitas as indústrias, estas técnicas assumirão cada vez uma maior importância. Os processos de reciclagem dos pavimentos flexíveis são muito variados, tendo em atenção o elevado número de variáveis a considerar. Face a condicionantes particulares de cada tipo e estado de pavimento, nem todas as alternativas apresentam as mesmas potencialidades. Considerando as seguintes variáveis: o local de execução; a temperatura da produção; os ligantes ou aditivos; podem definir-se os seguintes processos de reciclagem (Martinho, 2005): Reciclagem in situ, a frio, com cimento Reciclagem in situ, a frio, com emulsão betuminosa Reciclagem in situ, a frio, com betume espuma Reciclagem in situ, a quente, com betume/rejuvenescedor Reciclagem em central, a frio, com emulsão betuminosa Reciclagem em central, a frio, com betume espuma Reciclagem em central, semi-quente, com emulsão betuminosa Reciclagem em central, a quente, com betume. A seguir descreve-se apenas o processo de reciclagem utilizado neste trabalho, que corresponde a um dos mais utilizados e com maior potencialidade de utilização. 41

43 Reciclagem in situ, a frio, com cimento Quando se está perante pavimentos de forte espessura de material granular e com degradações que denunciam deficiente capacidade de carga, a reciclagem in situ, a frio, com cimento poderá constituir o processo mais económico e um dos mais adequados. Da mistura do material fresado com o ligante resulta uma nova camada granular tratada com cimento, do tipo agregado de granulometria extensa tratado com cimento (AGEC), a qual apresentará uma resistência bastante mais elevada do que qualquer uma das anteriormente existentes no pavimento antigo. O pavimento, anteriormente do tipo flexível, passa a ser do tipo semi-rígido, onde a nova camada apresentará a natural propensão ao fenómeno de retracção. A sequência construtiva adoptada é a geralmente a representada pelo esquema apresentado na Figura 2.4. Figura 2.4. Fases da reciclagem in situ a frio com cimento em calda (Martinho, 2005) O espalhamento do cimento poderá ser efectuado por duas formas: a seco através de cisterna com controlo electrónico da saída do ligante; por via húmida, onde se utiliza um equipamento destinado à produção de calda de cimento de acordo com as especificações do respectivo estudo. Esta solução de reciclagem conduzirá potencialmente a um elevado aumento da vida residual do pavimento, mas apresenta as seguintes condicionantes: A camada de AGEC não constitui uma adequada camada de desgaste, apresentando a natural propensão para a formação de fendas de retracção A camada de desgaste, deverá, possuir capacidade adequada para resistir aos esforços resultantes da actividade das fendas de retracção da camada subjacente de AGEC. Assim, torna-se necessário considerar a utilização de camadas de reforço com capacidade para resistir a esforços de corte resultantes do fendilhamento produzido. Actualmente, entre outras soluções, as camadas de misturas betuminosas a quente com betume modificado com borracha de pneus usados, constituem uma das melhores soluções para camadas de reforço com esta capacidade. 42